биохимия - Научная библиотека ВГУ имени П.М.Машерова 2014

БИОХИМИЯ:
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ, ЗАДАНИЯ,
СИТУАЦИОННЫЕ ЗАДАЧИ
Учебно-методический комплекс
для студентов факультета физической
культуры и спорта
(Издание второе исправленное и дополненное)
УДК 577.1(075)
ББК 28.072я73
Б63
Авторы: заведующий кафедрой химии УО «ВГУ им. П.М. Машерова», доктор биологических наук, профессор А.А. Чиркин; доктор медицинских наук, профессор кафедры химии Е.О. Данченко
Рецензенты: доктор биологических наук, профессор, заведующий лабораторией экспериментальной гепатологии Института биохимии НАН Беларуси В.У.Буко и доктор медицинских наук, профессор кафедры патфизиологии Витебского государственного медицинского университета,
профессор Ю.Я.Родионов
Учебно-методический комплекс по биохимии для студентов факультета физической
культуры и спорта включает программу по биохимии, рабочий план специальностям «Физическая культура. Физическая реабилитация. Эрготерапия», тематику лекций и лабораторных занятий, теоретические основы предмета, вопросы контрольной работы и экзамена. Комплекс
призван оказать помощь студентам дневной и заочной форм обучения в изучении биохимии.
УДК 577.1(075)
ББК 28.072я73
© Чиркин А.А., Данченко Е.О., 2005
© УО «ВГУ им. П.М.Машерова», 2005
2
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие……………………………..……………………………..
Цель и задачи изучения биохимии …………………………………..
Программа курса «Биологическая химия» ………………………….
Литература ..…………………………………………………………..
Рабочий план …..………………………………….…………………..
Тематический план лекций для дисциплины «Биохимия-1»
(ДО)…..……………………………………...........................................
Лабораторные занятия для дисциплины «Биохимия-1» (ДО)……..
Тематический план лекций для ОЗО (Биохимия-2,3,4)……………
Лабораторные занятия для ОЗО (Биохимия-2,3,4)…………………
Контрольная работа ..………………………………………………...
Теоретические основы курса биохимии ..…………………………..
Введение………………………………………………………………
Белки ..…………………………………………………………………
Ферменты ..……………………………………………………………
Пищеварение ..……………………………….………………………..
Энергетический обмен ..…………………….………………………..
Общий путь катаболизма ..………………….………………………..
Обмен углеводов ..…………………………….………………………
Обмен липидов ..……………………………….……………………...
Обмен аминокислот ..………………………….……………………...
Обмен нуклеотидов ..………………………….………………………
Гормоны ..……………………………………….……………………..
Витамины ..……………………………………….……………………
Биохимия мышц ………………………………………………………
Роль биохимических исследований в спортивной медицине………
Лабораторный практикум…………………………………………….
Программные вопросы по биохимии ..…….………………………..
Примеры тестов и ситуационных задач ……………………………..
3
4
5
5
17
18
19
28
30
31
33
37
37
44
57
66
69
77
83
96
112
121
125
155
174
180
186
211
216
ПРЕДИСЛОВИЕ
Учебно-методический комплекс «Биологическая химия» предназначен для студентов факультета физической культуры и спорта УО «Витебский государственный университет им. П.М. Машерова» по специальности
1-03 02 01 – Физическая культура со специализациями (1-01 02 01 02, 1-01
02 01 03, 1-01 02 01 07) дневной формы обучения и 1-88 01 03 – Физическая реабилитация и эрготерапия; направление специальности 1-88 01 03
02 – Эрготерапия и специальности 1-03 02 01 – Физическая культура; специализация 1-03 02 01 04 – Физическая реабилитация (отделение заочного
обучения).
Рабочая программа составлена профессором А.А.Чиркиным на основе программы «Биологическая химия с основами молекулярной биологии»
для специальности Н.06.01.03 «Экология» (специализация Н.06.01.01
«Общая экология», Витебск: ВГУ, 2002 (автор – проф. А.А. Чиркин) и программы «Биохимия» для педагогических институтов (сборник 19, «Биологическая химия» для специальности 2014 – «Физическое воспитание», М.:
Просвещение, 1981).
Учебно-методический комплекс «Биохимия» для студентов ОЗО факультета физической культуры и спорта рассмотрен и рекомендован к утверждению на заседании кафедры химии 29 января 2003 года, протокол №
6 и 23 февраля 2005 года, протокол №7.
Программа по биологической химии составлена с ориентацией на
конечный результат обучения студентов по специальности «Физическая
культура» со специализациями, а также специальности «Физическая реабилитация и эрготерапия». В соответствии с этим при изучении биохимии
ставится следующая цель: научить студента применять при изучении последующих дисциплин и при профессиональной деятельности реабилитолога сведения о химическом составе и молекулярных процессах живых организмов в состоянии нормы, а также в типичных ситуациях физической
нагрузки и нарушений восстановительных процессов органов и тканей ряда систем организма. В соответствии с этим программа составлена таким
образом, что дается переход от химической организации к функциональной биохимии, а затем к прикладным ее разделам (молекулярные основы
реабилитации). Программа основана на учебно-исследовательском принципе изучения предмета.
4
ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ БИОХИМИИ
Цель изучения дисциплины: формирование целостной системы
знаний о химическом составе организма, превращениях химических веществ в тесной связи с функциями организма и его молекулярнометаболическими механизмами реабилитационных процессов.
Задачи дисциплины:
В результате усвоения этой дисциплины обучаемый должен знать:
основные пути катаболизма и анаболизма низкомолекулярных биорегуляторов и биополимеров;
источники энергетического и пластического обеспечения метаболизма в
живых системах, а также механизмов мышечного сокращения;
химические основы нейроэндокринной регуляции и метаболической терапии витаминами и другими нутриентами;
биохимические основы физиотерапии;
основные биохимические понятия и термины;
лабораторно-биохимические исследования в реабилитологии.
В результате усвоения этой дисциплины обучаемый должен уметь:
использовать справочники и метаболическую карту для анализа процессов жизнедеятельности;
выполнять биохимические анализы с использованием общедоступного
лабораторного оборудования (сухая химия) и знать правила по технике
безопасности и охране труда;
использовать методы биохимического анализа и их интерпретировать
при исследовании нарушений и оценки эффективности восстановления
структуры и функций организма;
обрабатывать данные биохимических экспериментов и лабораторных
исследований биологического материала.
ПРОГРАММА КУРСА «БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ»
Предмет и задачи биологической химии; важнейшие этапы развития
биохимии. Вклад белорусских ученых. Особенности методических подходов и уровни биохимических исследований: изучение обмена энергии, иерархической структурной организации, раздражимости и самовоспроизведения – важнейших признаков живой материи. Важнейшие разделы (статическая – биоорганическая химия, динамическая – метаболизм и функциональная биохимия) и направления (в зависимости от вида изучаемого
объекта живой природы) биохимии. Питание, окружающая среда и генотип
– основные факторы влияния на жизнедеятельность организмов. Спортивная медицина, реабилитология и биохимия.
5
1.
МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ
1.1. Основные химические компоненты живых организмов:
Элементарный состав клеток и тканей. Химический состав клеток и
тканей: вода, минеральные вещества, белки, нуклеиновые кислоты, углеводы, липиды. Биополимеры и низкомолекулярные биорегуляторы. Общие
принципы изучения химического состава клеток: выделение и очистка
биомолекул, исследование их структуры, изучение функций и метаболизма
биомолекул. Уровни изучения биохимических реакций.
1.2. Белки, структура и функции:
1.2.1. Белки как важнейший компонент живой ткани. Функции белков. Элементарный состав белков. Гидролиз белков. Аминокислоты –
структурные мономеры белков. Строение и классификации аминокислот.
Заменимые и незаменимые аминокислоты.
1.2.2. Строение и уровни организации белков. Первичная структура
белков, ее характеристика. Пептидная связь, ее свойства и методы исследования. Пептиды. Классификация, функции в организме. Нейропептиды,
пептиды-токсины. Зависимость биологических свойств белков от первичной структуры. Видовая специфичность первичной структуры белков (на
примере инсулина).
Конформация полипептидной цепи. Вторичная структура белков.
Роль водородных связей. Спиральные, слоисто-складчатые и неупорядоченные структуры. Строение α-спирали, β-структуры, их особенности и
отличия. Надвторичная структура. Третичная структура, слабые внутримолекулярные взаимодействия в полипептидной цепи; дисульфидные связи.
Глобулярные и фибриллярные белки. Денатурация белков; обратимость
денатурации. Четвертичная структура белков. Зависимость биологической
активности белков от четвертичной структуры; кооперативные изменения
конформации протомеров (на примере гемоглобина в сравнении с миоглобином).
1.2.3. Простые белки, представители, краткая характеристика. Способность к специфическим взаимодействиям – основа биологических
функций всех белков. Лиганды и функции белков. Комплементарность
структуры центра связывания белка структуре (поверхности) лиганда. Обратимость связывания. Самосборка надмолекулярных структур. Сложные
белки. Общие представления о структуре и номенклатуре сложных белков,
строение простетических групп, типы связей между апобелком и простетической группой.
1.2.4. Физико-химические свойства белков. Белки как коллоидные
растворы. Молекулярная масса белков, методы определения. Турбидиметрия и нефелометрия. Вязкость белковых растворов и способность к образованию гелей. Диализ. Оптические свойства белков. Белки как амфотерные макромолекулы. Ионизация белков, электрофорез, изоэлектрическая
6
точка, изоэлектрическое фокусирование. Гидратация белков. Буферные
свойства белков.
1.2.5. Количественное определение суммарных и индивидуальных
белков. Различия белкового состава органов. Изменения белкового состава
в онтогенезе.
1.3. Ферменты:
1.3.1. Понятие о ферментах (энзимах). История развития учения о
ферментах. Общие представления о катализе. Основные характеристики
действия катализаторов: энергетический барьер реакции, энергия активации, свободная энергия. Сходство и различия химических и биологических
катализаторов. Специфичность действия ферментов, ее виды.
Номенклатура и классификация ферментов. Характеристика классов
ферментов. Единицы измерения количества и активности ферментов.
1.3.2. Структурно-функциональная организация ферментов. Простые
(однокомпонентные) и сложные (двухкомпонентные) белки-ферменты.
Строение сложных белков-ферментов: холофермент, апофермент, кофакторы (простетические группы и коферменты). Кофакторы – ионы металлов, органические соединения витаминной и невитаминной природы.
Функциональная организация ферментов. Активный центр, его строение.
Аллостерический центр, его значение.
1.3.3. Механизм действия ферментов. Стадии ферментативного процесса, их характеристика. Теории «шаблона» и «индуцированного соответствия» в объяснении взаимодействия фермента с субстратом. Молекулярные механизмы стадий ферментативного катализа. Значение сближения и
ориентации реагентов в действии ферментов. Значение образования переходных комплексов с более низкой энергией активации. Понятие о кислотно-основном и ковалентном катализе.
1.3.4. Кинетика ферментативного катализа, ее задачи. Зависимость
скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата, количества
фермента, рН среды, температуры. Влияние активаторов на ферментативную реакцию, их виды (катионы, анионы, ферменты ферментов, органические). Ингибиторы ферментов, их деление в зависимости от механизма
действия, прочности связывания с ферментом: неспецифические, специфические; необратимые, обратимые. Механизмы конкурентного, неконкурентного и бесконкурентного ингибирования ферментов.
1.3.5. Полиферментные комплексы, значение организации ферментов
в них. Множественные молекулярные формы ферментов, общие представления о них. Изоферменты, их роль. Ферменты и механизмы реабилитации.
1.4. Введение в обмен веществ. Биохимия питания. Питание, метаболизм и выделение продуктов метаболизма как этапы обмена веществ:
1.4.1. Состав пищи человека. Органические и минеральные вещества.
Основные и минорные компоненты. Основные пищевые вещества: углеводы, жиры, белки. Суточная потребность. Энергетическая и биологическая
7
ценность пищи. Незаменимые компоненты пищи: незаменимые аминокислоты, полиненасыщенные жирные кислоты, клетчатка, витамины, минеральные вещества. Молекулярные механизмы переваривания веществ в желудочно-кишечном тракте: проферменты, механизмы активации, гомогенный (для водорастворимых субстратов) и гетерогенный (для липофильных
субстратов) катализ; роль желчных кислот (эмульгирование, мицеллообразование), механизмы всасывания продуктов переваривания, кишечнопеченочная рециркуляция веществ, биохимические механизмы пищеварения посредством кишечных гормоноподобных веществ. Микрофлора кишечника – источник витаминов.
1.4.2. Катаболизм и анаболизм как две стороны метаболизма, их стадии и взаимосвязь. Катаболические, анаболические и амфиболические пути в обмене веществ, их значение. Специфические и общие пути катаболизма. Понятие о карте метаболизма. Основные конечные продукты метаболизма. Методы изучения обмена веществ: исследования на целом организме, органах, срезах тканей, гомогенатах тканей, субклеточных фракциях. Выделение ферментов и метаболитов и определение последовательности превращения веществ. Изотопные методы.
1.5. Строение и функции клеточных мембран:
1.5.1. Структурно-биохимическая организация клетки. Функции органелл клетки. Модели молекулярной организации мембран: жидкостномозаичная и решетчато-мозаичная. Характеристика структурных компонентов биологических мембран (белков, липидов, углеводов) – их локализация,
содержание, физико-химические свойства, соотношение компонентов.
1.5.2. Способы транспорта веществ через мембраны: пассивный
транспорт, облегченная диффузия, активный транспорт (первичный, вторичный, симпорт, антипорт). Работа Na+,K+-АТФазы, кальцийзависимая,
протонная АТФазы. Везикулярный транспорт. Мембранные белкирецепторы; трансмембранная передача сигналов в клетку. Биохимия межклеточных взаимодействий. Липосомы и протеолипосомы как способ введения веществ в клетки.
1.6. Энергетический обмен. Окислительные системы организма:
Различие организмов по используемым источникам углерода, энергии. Аэробные и анаэробные организмы. Энергетические ресурсы клеток.
Фазы извлечения энергии из них.
1.6.1. Введение в энергетику биохимических реакций. Понятие о
полной энергии вещества, свободной энергии, энтропии. Экзергонические
и эндергонические реакции. Термодинамическая шкала химических веществ, макроэргические соединения. Сопряжение эндергонических и экзергонических реакций. АТФ как важнейший аккумулятор и источник
энергии. Образование АТФ методами субстратного и окислительного фосфорилирования АДФ.
8
1.6.2. Биологическое окисление: путем дегидрирования субстратов,
путем присоединения кислорода (монооксигеназы, диоксигеназы) и образования свободнорадикальных форм кислорода. Понятие об окислительновосстановительных парах субстратов – доноров и акцепторов электронов.
Стандартный окислительно-восстановительный потенциал (редокспотенциал), его выражение. Значение величин редокс-потенциалов для характеристики биологического окисления.
1.6.3. Дегидрирование субстратов и окисление водорода с образованием воды как источник энергии для синтеза АТФ. Молекулярно-структурная
организация митохондрии; локализация биохимических процессов, типы
субстратов окисления и кислорода (матрикс) и цепи переноса электронов
(внутренняя мембрана митохондрий). Термодинамические закономерности
последовательности переносчиков и каскадные изменения свободной энергии при переносе электронов. Структура основных переносчиков и химизм
переноса электронов.
Окислительное фосфорилирование, его количественное выражение –
коэффициент Р/О. Освобождение энергии в цепи переноса электронов, локализация пунктов фосфорилирования АДФ. Сопряжение дыхания и фосфорилирования. Характеристика хемиосмотической гипотезы Митчела.
Трансмембранный электрохимический потенциал как промежуточная
форма запасания энергии при окислительном фосфорилировании; механизм его образования. Строение и функции протонной АТФ-синтетазы.
Дыхательный контроль. Разобщение и ингибирование окислительного
фосфорилирования как важная проблема экологии и спортивной медицины. Терморегуляторная функция тканевого дыхания.
1.6.5. Микросомальное окисление. Биологическая роль монооксигеназных систем митохондрий. Роль диоксигеназной системы в обезвреживании ароматических соединений.
1.6.6. Свободнорадикальное окисление в клетках. Радикальные формы кислорода. Цепные реакции пероксидного окисления, возможность
прекращения процесса путем обезвреживания радикалов. Прооксиданты и
антиоксиданты. Роль радикальных форм кислорода в физиологии и патологии клетки, в окислении ненасыщенных жирных кислот в биомембранах
(пероксидное окисление липидов). Обезвреживание пероксида водорода,
образующегося в реакциях окисления. Ионизирующее излучение и пероксидное окисление липидов.
Нарушения энергетического обмена: гипоксические и гипоэнергетические состояния.
1.7. Общие пути катаболизма:
Катаболизм основных пищевых и депонированных веществ – углеводов, жиров, белков (аминокислот); понятие о специфических путях катаболизма (до образования пирувата из углеводов и ряда аминокислот и до
образования ацетил-КоА из жирных кислот и некоторых аминокислот) и
9
общем пути катаболизма (окисление пирувата и ацетил-КоА). Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты: последовательность
реакций, строение пируватдегидрогеназного комплекса. Цикл трикарбоновых кислот: последовательность реакций и характеристика ферментов.
Связь между метаболитами общего пути катаболизма и цепями переноса
электронов в митохондриях. Аллостерические механизмы регуляции. Витамины и витаминоподобные вещества, производные которых выполняют
коферментную роль в общих путях катаболизма; биохимические основы
повышения биологической ценности пищи путем введения сбалансированного поливитаминного комплекса.
2. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ОСНОВЫ ОБМЕНА ВЕЩЕСТВ
2.1. Обмен и функции углеводов:
2.1.1. Основные углеводы пищи и организмов животных. Их содержание в тканях. Биологическая роль углеводов: углеводы с преимущественно энергетической функцией (моносахариды, гомополисахариды) и
преимущественно структурной функцией (гетерополисахариды, гликолипиды, гликопротеины). Переваривание углеводов и всасывание продуктов
переваривания. Глюкоза как важнейший метаболит углеводного обмена.
Общая схема источников и путей расходования глюкозы в организме.
Ключевая роль глюкозо-6-фосфата в метаболизме углеводов. Гликоген как
резервный полисахарид животных, его свойства.
2.1.2. Синтез гликогена, химизм процесса. Характеристика гликогенсинтазы. Молекулярные механизмы ветвления цепей гликогена. Регуляция
синтеза гликогена. Мобилизация гликогена: гидролитический и фосфоролитический пути. Другие ферменты распада гликогена. Характеристика
фосфорилазы. Регуляция мобилизации гликогена. Взаимоотношения между ферментами синтеза и распада гликогена. Роль протеинкиназ и цАМФ в
синхронизации этих процессов.
2.1.3. Катаболизм глюкозы. Анаэробный и аэробный пути распада
глюкозы, их общая характеристика. Анаэробный гликолиз, гликолитическая оксидоредукция. Субстратное фосфорилирование АДФ. Энергетический баланс анаэробного гликолиза. Спиртовое брожение. Метаболизм
этанола в организме, понятие об эндогенном этаноле. Пути обезвреживания этанола: алкогольдегидрогеназа, микросомальная этанолокисляющая
система и каталаза. Аэробный распад – основной путь катаболизма глюкозы у человека и других аэробных организмов до пирувата в цитозоле, с последующим окислительным декарбоксилированием пирувата и окислением ацетил-КоА в митохондриях до воды и СО2. Челночный механизм переноса восстановительных эквивалентов из цитозоля в митохондрии.
Энергетический баланс аэробного окисления глюкозы. Аллостерические
механизмы регуляции аэробного гликолиза – эффект Пастера.
10
2.1.4. Глюконеогенез. Обходные реакции необратимых стадий гликолиза. Регуляторные ферменты глюконеогенеза, биологическая роль процесса. Взаимосвязь гликолиза в мышечной ткани с глюконеогенезом в печени – цикл Кори (глюкозо-лактатный цикл). Органы, поставляющие глюкозу в кровь (кишечник, печень, почки) и органы, потребляющие глюкозу.
2.1.5. Пентозофосфатный путь превращения углеводов, химизм процесса; окислительные и неокислительные реакции. Функции. Роль NADPH
и фосфорибизилпирофосфата. Взаимосвязь пентозофосфатного пути с гликолизом.
2.1.6. Представление о строении и функциях углеводной части гликолипидов и гликопротеинов. Нейраминовая кислота.
2.2. Обмен и функции липидов:
2.2.1. Функции липидов в живых системах. Важнейшие липиды тканей. Резервные липиды. Структурные липиды. Церамиды. Гликолипиды,
цереброзиды, ганглиозиды; биологическая роль. Ферментативный гидролиз липидов. Условия, необходимые для переваривания липидов. Желчные
кислоты, строение, роль в переваривании липидов и всасывании продуктов
переваривания. Панкреатическая липаза и ее активаторы. Специфичность
действия панкреатической липазы. Переваривание фосфолипидов фосфолипазами А1, А2, С, D и эфиров холестерола холестеролэстеразой. Конечные продукты гидролиза липидов, их всасывание. Ресинтез липидов в кишечной стенке.
Экзогенный и эндогенный транспорт липидов в организме. Состав и
строение транспортных липопротеиновых комплексов, место образования.
Липопротеинлипаза, активаторы, функция.
Резервирование и мобилизация жиров в жировой ткани, регуляция
этих процессов. Транспорт жирных кислот альбуминами плазмы крови.
2.2.2. Окисление глицерола. Активация жирных кислот, транспорт
ацил-КоА в митохондрии, роль карнитина. Окисление жирных кислот,
энергетика и биологическое значение процессов. Синтез высших жирных
кислот на полиферментном комплексе – синтазе высших жирных кислот.
Строение комплекса. Роль малонил-КоА в синтезе, его образование. Роль
NADPH в синтезе жирных кислот, источники его образования. Синтез
жирных кислот с длинной углеводородной цепью (>16 атомов С). Синтез
ненасыщенных жирных кислот; незаменимые жирные кислоты пищи. Синтез триацилглицеролов и фосфолипидов, их общие этапы, локализация.
Роль ацетил-КоА в биосинтезе кетоновых тел, холестерола и жирных
кислот. Синтез холестерола; β-гидрокси-β-метилглутарил-КоА как промежуточный метаболит в синтезе кетоновых тел и холестерола. ГМГ-КоАредуктаза и скваленсинтаза регуляторные ферменты синтеза холестерола.
Вещества, регулирующие биосинтез холестерола. Синтез кофермента Q.
Прямой и обратный транспорт холестерола. Белки, переносящие эфиры
холестерола. Холестерол как предшественник желчных кислот, стероидных
11
гормонов и кальцитриола. Роль ферментов ацил-КоА-холестеролацилтрансферазы (АХАТ) и лецитин-холестерол-ацилтрансферазы (ЛХАТ) в
обмене холестерола. Накопление холестерола в организме как одна из ведущих причин старения и смерти (атеросклероз). Снижение концентрации холестерола при неконтролируемом делении клеток и депрессивных состояниях.
Радиационно-экологические
дислипопротеинемии
и
радиационноиндуцированный атеросклероз у населения Беларуси.
2.3. Обмен аминокислот и белков:
2.3.1. Динамическое состояние белков в организме. Азотистый баланс, его состояния. Понятие о коэффициенте изнашивания белков, физиологическом минимуме. Нормы белков в питании человека. Факторы,
влияющие на удовлетворение потребности в белках.
Переваривание белков. Желудочный сок, его характеристика. Роль
соляной кислоты. Ферменты желудочного сока (пепсин, гастриксин, реннин). Механизм активации пепсиногена. Протеолитические ферменты панкреатического сока – трипсин, химотрипсин, карбоксипептидаза, эластаза;
механизмы активации. Протеолитические ферменты кишечного сока: амино-, ди- и трипептидазы, пролиназы, пролидазы. Специфичность действия
этих протеолитических ферментов. Основные транспортные системы для
всасывания аминокислот. Регуляция процесса переваривания. Катаболизм
белков в тканях. Катепсины. Частичный (ограниченный) протеолиз белков
и образование биологически активных пептидов. Белки теплового шока.
Ингибиторы протеолиза. Судьба аминокислот в печени и тканях. Перенос
аминокислот через мембраны клеток. Общая схема источников и путей
расходования аминокислот в тканях. Типы превращений аминокислот в
клетках по α-аминогруппе, α-карбоксильной группе, радикалу.
2.3.2. Превращения аминокислот по аминогруппе. Трансаминирование. Строение и характеристика аминотрансфераз. Коферментная функция
витамина B6. Химизм процесса. Биологическое значение реакций трансаминирования. Виды дезаминирования аминокислот. Окислительное дезаминирование. Строение и характеристика оксидаз L- и D-аминокислот, глутаматдегидрогеназы. Химизм процесса. Прямое дезаминирование и трансдезаминирование. Восстановительное аминирование и трансреаминирование. Биологическое значение дезаминирования аминокислот.
2.3.3. Декарбоксилирование аминокислот. Характеристика декарбоксилаз. Образование биогенных аминов, их строение и биологическая роль
(триптамин, серотонин, дофамин, гистамин, -аминомасляная кислота).
Аминооксидазы: моноаминооксидазы и диаминооксидазы. Обезвреживание биогенных аминов.
2.3.4. Метилирование и трансметилирование как пути превращения
аминокислот по радикалу. Источники, переносчики (тетрагидрофолиевая
кислота и витамин В12) и универсальный донор метильных групп (Sаденозилметионин). Метилтрансферазы. Синтез креатинина, креатинфос12
фата, адреналина, фосфатидилхолина, метилирование ксенобиотиков.
Универсальная роль метильной группы в проявлении биологических
свойств биомолекул (норадреналин – адреналин, эстрадиол – тестостерон,
процессинг рРНК, фосфатидилэтаноламин – фосфатидилхолин).
2.3.5. Гликогенные и кетогенные аминокислоты. Биосинтез заменимых аминокислот. Обмен аминокислот между органами. Наследуемые и
приобретенные патологии обмена аминокислот.
2.3.6. Аммиак как конечный продукт превращения азотсодержащих
соединений у человека, источники его образования. Местное и общее
обезвреживание аммиака в организме, его механизмы. Роль глутамина в
обезвреживании и транспорте аммиака. Глутамин как донор азота при синтезе ряда органических соединений. Глюкозо-аланиновый цикл. Общее
(конечное) обезвреживание аммиака путем синтеза мочевины и аммонийных солей, химизм процессов. Связь орнитинового цикла с циклом трикарбоновых кислот, энергетика. Происхождение атомов азота в мочевине.
Роль глутаминазы почек в синтезе аммонийных солей, ее активация протонами.
Аминокислоты как предшественники биологически важных соединений. Обмен аминокислот и механизмы реабилитации.
2.4. Обмен нуклеотидов:
Распад нуклеиновых кислот. Нуклеазы пищеварительного тракта и
тканей. Распад пуриновых нуклеотидов. Мочевая кислота как конечный
продукт пуринового обмена. Представление о синтезе пуриновых нуклеотидов (от рибозо-5-фосфата до 5-фосфорибозиламина). Происхождение
атомов пуринового скелета. Инозиновая кислота – предшественник адениловой и гуаниловой кислот. Распад пиримидиновых нуклеотидов, конечные продукты этого процесса. Синтез пиримидиновых нуклеотидов, роль
оротовой кислоты. Ключевая роль фосфорибозилпирофосфата в синтезе
нуклеотидов. Аллостерические механизмы регуляции синтеза пуриновых и
пиримидиновых нуклеотидов. Врожденные и приобретенные нарушения
обмена нуклеотидов.
2.5. Взаимосвязь обмена белков, углеводов, липидов:
Условность разделения метаболизма на отдельные виды обменов.
Проявления взаимосвязи обменов белков, углеводов, липидов. Важнейшие
связующие метаболиты, их биологическая роль. Возможность взаимного
превращения глюкозы, жирных кислот и аминокислот. Уровни интеграции
и регуляции обмена белков, углеводов и липидов. Биохимические критерии нарушений метаболизма. Понятие о коррекции обмена веществ метаболитами, низкомолекулярными биорегуляторами и биополимерами.
3. ПЕРЕНОС ГЕНЕТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ И БИОСИНТЕЗ
БЕЛКА
13
3.1. Нуклеиновые кислоты, структура и функции:
3.1.1. Нуклеопротеиды, строение, функции. Характеристика гистонов и
протаминов как белковой части нуклеопротеидов. Гетерогенность гистонов.
Нуклеиновые кислоты. Мононуклеотиды – структурные мономеры нуклеиновых кислот. Соединение нуклеотидов в нуклеиновых кислотах. Типы нуклеиновых кислот, их локализация и содержание в клетках.
3.1.2. ДНК. Структурная организация молекулы. Первичная структура. Правила Чаргаффа. Вторичная структура, типы связей, стабилизирующих ее. Типы вторичных структур. Третичная структура (кольцо, суперспираль, сломанная спираль). Структурная организация ДНК в хромосоме:
уровни компактизации (нуклеосома, соленоид, фибрилла). Физикохимические свойства ДНК: высокая степень ионизации, вязкость, оптические свойства, денатурация и ренативация.
3.1.3. РНК, типы (иРНК, тРНК, рРНК), локализация в клетке, содержание, молекулярная масса, функции, строение. Характеристика первичной, вторичной, третичной структур. Строение рибосомы.
3.2. Синтез нуклеиновых кислот и белков (матричные синтезы).
3.2.1. Виды переноса генетической информации в клетках, роль ДНК
и РНК в этих процессах: репликация, транскрипция и трансляция.
3.2.2. Активаторы и ингибиторы синтеза нуклеиновых кислот и белков, их использование в реабилитологии.
4. РЕГУЛЯЦИЯ МЕТАБОЛИЗМА
4.1. Витамины, их биохимические функции:
4.1.1. История развития учения о витаминах. Классификация и номенклатура. Отличительные особенности витаминов как незаменимых
компонентов питания. Функции витаминов. Коферментная и некоферментная роль. Нарушения баланса витаминов, их причины. Источники поступления витаминов. Витамины как внутриклеточные регуляторы метаболизма.
4.1.2. Водорастворимые витамины. Аскорбиновая кислота (витамин
С, антискорбутный), проявления недостаточности. Химическое строение,
свойства, источники, потребность, биохимические функции. Витамин Р (рутин), проявления недостаточности, химическое строение, источники, потребность, биохимические функции. Взаимосвязь в осуществлении биохимических функций витаминов С и Р. Природные ресурсы биофлавоноидов
Беларуси. Витамины группы В (В1,2,3,5,6,9,12) и биотин, коферментные функции, роль в регуляции метаболических путей, молекулярные и внешние
проявления недостаточности, источники, суточные потребности, возможность депонирования и образования микрофлорой кишечника. Полигиповитаминозы: В2, В5, В6 – пеллагра, В9, В12 – фолатная ловушка – анемии.
14
4.1.3. Жирорастворимые витамины. Витамин А (антиксерофтальмический, ретинол). Ретинол, ретиналь, ретиноевая кислота, провитамины и
возможность образования витамина из них. Роль β-каротина. Источники,
потребность, биологическая роль (акт зрения, пролиферация клеток, синтез
компонентов межклеточного вещества). Витамин D (кальциферолы, антирахитический). Проявления недостаточности и гипервитаминоза. Химическое строение, биосинтез. Кальцитриол – биологически активная форма;
механизм действия и регуляция фосфатно-кальциевого обмена. Витамин Е
(токоферолы, антистерильный). Проявления недостаточности; химическое
строение, биологическая роль, источники, потребность. Антиоксидантные
комплексы витаминов, применение при радиационных и других поражениях (А, Е, С; β-каротин, Е, С). Расходование витамина Е в процессе реализации антиоксидантного действия. Витамин К (филлохиноны, антигеморрагический). Проявления недостаточности, химическое строение, биологическая роль, источники, потребность. Витамин К-зависимая карбоксилаза и
карбоксилирование остатков глутамата. Витамин К и дикумароловые антикоагулянты. Витамин F. Роль эссенциальных полиненасыщенных жирных кислот. Роль -линоленовой кислоты в биосинтезе эйкозаноидов.
4.1.4. Витаминоподобные соединения, их роль в организме. Доноры
метильных групп.
4.1.5. Антивитамины, характеристика, важнейшие представители, их
строение, влияние на обмен веществ, роль межтканевых взаимодействий в
молекулярных механизмах. Витамины и питание.
4.2. Гормоны. Регуляция обмена веществ:
4.2.1. Общие механизмы регуляции метаболизма: 1) изменение активности ферментов (активация, ингибирование); 2) изменение количества
белков-ферментов (индукция, репрессия синтеза белков, изменение скорости катаболизма ферментов); 3) изменение свойств клеточных мембран.
Гормоны и гормоноподобные вещества, их характеристика. Гормоны как
дистантные регуляторы клеточного метаболизма. Трансгипофизарный и
парагипофизарный пути регуляции выработки гормонов. Классификации
гормонов: по эндокринным железам, по химическому строению, по особенностям транспорта в крови (гидрофильные и липофильные), по механизмам действия на клетку-мишень (непроникающие, проникающие, смешанная группа). Роль свободных форм гормонов. Типы рецепторов.
Гидрофильные гормоны, не проникающие в клетку (белковой и пептидной природы, катехоламины). Посредники в действии гормонов этой
группы в клетке: циклические нуклеотиды, продукты превращения фосфатидилинозитолов, распада рецепторов, ионы кальция, тирозинкиназная активность. Роль G-белков и ГТФ в передаче гормонального сигнала. Изменение функциональной активности белков – основа действия непроникающих гормонов. Снятие гормонального сигнала (роль фосфодиэстераз и
протеинфосфатаз). Циклические нуклеотиды и действие токсинов.
15
Механизм действия липофильных гормонов, проникающих в клетку.
Локализация рецепторов. Гормонально-чувствительные отделы ДНК.
Строение рецепторов стероидных и тироидных гормонов. Стероидные
гормоны – регуляторы экспрессии генов.
4.2.2. Гипоталамус – место трансформации электрического сигнала
ЦНС в химические биорегуляторы – рилизинг-факторы (7 либеринов и 3
статина). Тропные гормоны гипофиза и их значение в регуляции функции
периферических желез: соматотропин, кортикотропин, тиротропин, гонадотропины, липотропины. Проопиокортин и образование гормонов, эндорфинов и энкефалинов. Меланотропины и их роль в организме. Нейрогормоны – окситоцин и вазопрессин, их строение и биологическое действие. Гормоны периферических эндокринных желез: йодтиронины, паратгормон, кальцитонин, адреналин, инсулин, глюкагон, глюкокортикоиды,
минералокортикоиды; половые гормоны: строение, биосинтез, регуляция,
недостаточность и избыток гормонов.
4.2.3. Гормоноподобные биорегуляторы. Эйкозаноиды. Пути превращения арахидоновой кислоты (циклооксигеназа, липоксигеназа): простагландины, простациклины, тромбоксаны, лейкотриены. Феромоны и
другие дистантные регуляторы.
4.3. Регуляция обмена воды и минеральных солей:
Минеральные вещества тканей человека и животных. Вода, ее функции. Содержание в животном организме. Водные пространства организма.
Возрастные, органные, половые различия в содержании воды. Регуляция
электролитного состава и объема внеклеточной жидкости вазопрессином,
альдостероном, атриальным натрийуретическим фактором. Роль ангиотензинов II и III. Функции неорганических ионов. Содержание минеральных
веществ. Макро- и микроэлементы. Региональные патологии (кариес, эндемический зоб, недостаточность селена). Эволюционно отобранные и сохраняемые параметры водно-солевого обмена у высших организмов являются мишенью для реабилитационных воздействий.
5. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ БИОХИМИЯ ТКАНЕЙ И ОРГАНОВ
Молекулярные процессы базальной жизнедеятельности клеток, тканей, органов и молекулярные процессы специфических функций клеток,
тканей, органов как результат дифференциальной активности хроматина.
Биохимические технологии оценки базальной и специфической активности
клеток (оценка фенотипа, метаболитов). Функциональная биохимия органов и тканей как методология обоснования реабилитационных мероприятий. Биохимия различных систем органов: нейро-эндокринной, движения
(биохимия мышц), пищеварения, дыхания, кровообращения, выделения,
размножения. Биохимия спорта.
16
Лабораторно-биохимическая оценка функционального состояния
различных систем организма в норме и при патологии. Лабораторный контроль реабилитационных мероприятий.
6. БИОХИМИЯ МЕХАНИЗМОВ РЕАБИЛИТАЦИИ
6.1. Место биохимии в научно-практическом обосновании реабилитационных технологий.
6.2. Молекулярные механизмы гибели клеток методами апоптоза и
некроза. Основные причины нарушения обмена веществ у человека: 1)
физические агенты (травма, температура, давление, радиация, электричество); 2) химические агенты (токсины, ксенобиотики); 3) биологические
агенты (вирусы, риккетсии, бактерии, грибы, гельминты); 4) гипоксия (нарушения газовой среды, кровообращения, транспорта кислорода, действие
дыхательных ядов); 5) генетические факторы (врожденные, приобретенные); 6) иммунологические реакции (анафилаксия, аутоиммунные патологии); 7) дисбаланс питания (недостаточное, биологически неполноценное,
избыточное, гиповитаминозы); 8) эндокринный дисбаланс (гипо- и гиперфункции эндокринных желез), нарушения паракринной и аутокринной регуляции. Защитные системы организма: свертывания крови, комплемент и
неспецифические механизмы защиты (бактерицидные молекулы, фагоцитоз), система иммунитета, антиоксиданты, микросомальное окисление –
семейство цитохромов Р450, репаративный синтез ДНК, белки теплового
шока и др. Развитие патологии в случае превышения мощности защитных
механизмов действием неблагоприятных факторов.
6.3. Общие представления о биохимических механизмах реабилитации:
1) на уровне неспецифических общих механизмов и процессов получения
энергии, питания и размножения; 2) на уровне специфических функций клеток, тканей и органов; 4) с учетом особенностей адаптационных механизмов в
онтогенезе; 5) за счет модификации фенотипа (протеомика); 6) на уровне метаболических путей (через активность белков, количество белков, свойства
мембран, аллостерическая и другая лигандная регуляция); 7) на уровне межклеточных и межорганных взаимодействий; 8) на уровне нейроэндокринной
регуляции; 9) путем коррекции механизмов высшей нервной деятельности.
ЛИТЕРАТУРА
Основная литература
1. Альбертс Б. и др. Молекулярная биология клетки (в 3-х томах). М., 1994.
2. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. М., 1998.
3. Биохимия: Учеб. Для ин-тов физ. культ./Под ред. В.В.Меньшикова,
Н.И.Волкова. – М.: Физкультура и спорт, 1986. – 384 с.
4. Зеленин К.Н., Алексеев В.В. Химия. – СПб., ЭЛБИ-СПб, 2003.-712 с.
17
5. Ленинджер А. Основы биохимии (в 3-х томах). М., 1986.
6. Марри Р. и др. Биохимия человека (в 2-х томах). М., 1993.
7. Николаев А.Я. Биологическая химия. М., 1989.
8. Проскурина И.К. Биохимия. М., 2001.
9. Страйер Л. Биохимия (в 3-х томах). М., 1984.
10. Строев Е.А. Биологическая химия. М., 1986.
11. Уайт А. и др. Основы биохимии (в 3-х томах). М., 1981.
12. Филиппович Ю.Б. Основы биохимии. М., 1999.
13. Чиркин А.А. Практикум по биохимии. Учебное пособие. Мн., 2002.
Дополнительная литература
1. Лопухин Ю.М. и др. Холестериноз. М., 1983.
2. Кольман Я., Рем К.-Г. Наглядная биохимия. М., 2000.
3. Северин Е.С., Николаев А.Я. Биохимия. Краткий курс с упражнениями и
задачами. М., 2001.
4. Сейфулла Р.Д., Кукес В.Г., Фисенко В.П., Утешев Б.С. и др. Методические рекомендации по клиническим исследованиям лекарственных средств
для применения в спортивной медицине. В кн.: Ведомости научного центра экспертизы и государственного контроля лекарственных средств,
2002, №2(10), с. 27-32.
5. Тепперман Дж., Тепперман Х. Физиология обмена веществ и эндокринной системы. М., 1989.
6. Филиппович Ю.Б., Егорова Т.А., Севастьянова Г.А. Практикум по общей биохимии. М., 1982.
7. Nelson D.L., Cox M.M. Lehninger principles of biochemistry. N. Y., 2000.
РАБОЧИЙ ПЛАН
Для специальности 1-03 02 01 – Физическая культура со специализациями (1-01 02 01 02, 1-01 02 01 03, 1-01 02 01 07) дневной формы обучения (биохимия-1) и ОЗО (биохимия-2); специализации – Физическая реабилитация 1-03 02 01 04 (биохимия-3) и специальности 1-88 01 03 – Физическая реабилитация и эрготерапия, направления специальности 1-88+01
03 02 – Эрготерапия (ОЗО) (биохимия-4).
Дисциплина
Биохимия-1
Биохимия-2
Биохимия-3
Биохимия-4
Курс Семестр
1
1,2
1
1
1,2
1-3
2
1
Лекции, ч
36
12
12
14
18
Лабораторные
занятия, ч
32
10
8
8
Экзамен
2
3
2
1
Тематический план лекций для дисциплины «Биохимия-1» (ДО)
№
1.
НАИМЕНОВАНИЕ
ТЕМ
Введение в биохимию Физикохимические свойства белков
2
Структура белковой молекулы
3
Ферменты. Строение свойства, кинетика, ферментативного катализа
СОДЕРЖАНИЕ
Часы
Аминокислоты. Строение и уровни организа2
ции белков. Первичная структура белков, ее
характеристика. Пептидная связь, ее свойства.
Понятие о пептидах. Зависимость биологических свойств белков от первичной структуры.
Видовая специфичность первичной структуры
белков (на примере инсулина). Химические
свойства. Строение белковой молекулы. Молекулярная масса белков. Физико-химические
свойства белков. Белки как коллоидные растворы. Вязкость белковых растворов и способность к образованию гелей. Диализ. Оптические свойства белков. Белки как амфотерные макромолекулы. Ионизация белков, электрофорез, изоэлектрическая точка. Гидратация
белков. Понятие о буферных свойствах белков.
Конформация полипептидной цепи. Вторич2
ная структура белков. Роль водородных связей. Спиральные, слоисто-складчатые и неупорядоченные структуры. Строение αспирали, β-структуры, их особенности и отличия. Надвторичная структура. Третичная
структура, слабые внутримолекулярные взаимодействия в полипептидной цепи; дисульфидные связи. Глобулярные и фибриллярные
белки. Денатурация белков; обратимость денатурации. Четвертичная структура белков.
Зависимость биологической активности белков от четвертичной структуры. Специфичность белков. Способность к специфическим
взаимодействиям – основа биологических
функций всех белков. Лиганды и функции
белков. Комплементарность структуры центра
связывания белка структуре (поверхности) лиганда. Обратимость связывания. Самосборка
надмолекулярных структур. Классификация
белков. Количественное определение суммарных и индивидуальных белков.
Понятие о ферментах (энзимах). История раз- 2
вития учения о ферментах. Общие представления о катализе. Основные характеристики
действия катализаторов: энергетический барьер реакции, энергия активации, свободная
энергия. Сходство и различие химических и
биологических катализаторов. Специфичность
действия ферментов, ее виды. Структурно19
4
Ферменты: единицы активности; регуляция активности
ферментов.
5.
Введение в обмен
веществ. Мембраны. Биохимия питания и пищеварения.
функциональная организация ферментов.
Простые и сложные ферменты-белки. Строение сложных белков-ферментов: холофермент, апофермент, кофакторы (простетические группы и коферменты). Кофакторы – ионы металлов, органические соединения витаминной и невитаминной природы. Функциональная организация ферментов. Активный
центр, его строение. Аллостерический центр,
его значение. Кинетика ферментативного катализа, ее задачи. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата. Понятие о порядке реакции. Уравнение Михаэлиса-Ментен. Способы графического изображения. Константы диссоциации (Ks)
и Михаэлиса (Km), их определение и значение.
Номенклатура и классификация ферментов.
2
Характеристика классов ферментов. Единицы
измерения количества и активности ферментов. Зависимость скорости ферментативной
реакции от концентрации субстрата, количества фермента, рН среды, температуры. Влияние активаторов на ферментативную реакцию,
их виды (катионы, анионы, ферменты ферментов, органические). Понятие об ингибиторах
ферментов. Регуляция активности ферментов,
ее механизмы: химическая модификация, ее
виды; аллостерическая регуляция
Катаболизм и анаболизм как две стороны ме2
таболизма, их стадии и взаимосвязь. Катаболические, анаболические пути в обмене веществ, их значение. Специфические и общие
пути катаболизма. Понятие о карте метаболизма. Основные конечные продукты метаболизма. Структурно-биохимическая организация клетки. Функции органелл клетки. Модели молекулярной организации мембран: жидкостно-мозаичная и решетчато-мозаичная.
Характеристика структурных компонентов
биологических мембран (белков, липидов, углеводов) – их локализация, содержание, физико-химические свойства, соотношение компонентов. Понятие о способах транспорта веществ через мембраны: пассивный транспорт,
облегченная диффузия, активный транспорт.
Липосомы и протеолипосомы как способ введения веществ в клетки. Состав пищи человека. Органические и минеральные вещества.
Основные и минорные компоненты. Основные
20
6.
7.
пищевые вещества: углеводы, жиры, белки.
Суточная потребность. Энергетическая и биологическая ценность пищи. Незаменимые
компоненты пищи: незаменимые аминокислоты, жирные полиненасыщенные кислоты,
клетчатка, витамины, минеральные вещества.
Молекулярные механизмы переваривания веществ в желудочно-кишечном тракте: проферменты, механизмы активации, гомогенный
(для водорастворимых субстратов) и гетерогенный (для липофильных субстратов) катализ. Гниение белков в толстом кишечнике,
механизмы обезвреживания продуктов гниения. Микрофлора кишечника – источник витаминов.
Энергетический
Введение в энергетику биохимических реакобмен. Цепь переций. Понятие о полной энергии вещества, своноса протонов и
бодной энергии, энтропии. Экзергонические и
электронов.
эндергонические реакции. Термодинамическая шкала химических веществ, макроэргические соединения. Сопряжение эндергонических и экзергонических реакций. АТФ как
важнейший аккумулятор и источник энергии.
Образование АТФ методами субстратного и
окислительного фосфорилирования АДФ.
Биологическое окисление: путем дегидрирования субстратов, путем присоединения кислорода (монооксигеназы, диоксигеназы) и
образования свободнорадикальных форм кислорода. Понятие об окислительновосстановительных парах субстратов – доноров и акцепторов электронов. Стандартный
окислительно-восстановительный потенциал
(редокс-потенциал), его выражение. Значение
величин редокс-потенциалов для характеристики биологического окисления. Дегидрирование субстратов и окисление водорода с образованием воды как источник энергии для
синтеза АТФ. Митохондрии, структурная организация; локализация, типы субстратов
окисления и кислорода (матрикс) и цепи переноса электронов (внутренняя мембрана митохондрий). Термодинамические закономерности последовательности переносчиков и каскадные изменения свободной энергии при переносе электронов. Структура основных переносчиков и химизм переноса электронов.
Окислительное
Окислительное фосфорилирование, его колифосфорилирование. чественное выражение – коэффициент Р/О.
Окислительные
Освобождение энергии в цепи переноса элек21
2
2
процессы, не связанные с запасанием энергии.
8
Общий путь катаболизма как источник субстратов
тканевого дыхания.
9.
Строение и функции углеводов (самостоятельно).
10. Обмен углеводов.
тронов, локализация пунктов фосфорилирования АДФ. Сопряжение дыхания и фосфорилирования. Характеристика хемиосмотической
гипотезы Митчела. Трансмембранный электрохимический потенциал как промежуточная
форма запасания энергии при окислительном
фосфорилировании; механизм его образования. Строение и функции протонной АТФсинтетазы. Дыхательный контроль. Терморегуляторная функция тканевого дыхания. Свободнорадикальное окисление в клетках. Радикальные формы кислорода. Цепные реакции
перекисного окисления, возможность прекращения процесса путем обезвреживания радикалов. Прооксиданты и антиоксиданты. Роль
радикальных форм кислорода в физиологии и
патологии клетки, в окислении ненасыщенных
жирных кислот в биомембранах (перекисное
окисление липидов). Обезвреживание перекиси водорода, образующейся в реакциях окисления. Ионизирующее излучение и перекисное окисление липидов. Нарушения энергетического обмена: гипоксические и гипоэнергетические состояния.
Катаболизм основных пищевых и депонированных веществ – углеводов, жиров, белков
(аминокислот); понятие о специфических путях катаболизма. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты: последовательность реакций, строение пируватдегидрогеназного комплекса. Цикл трикарбоновых кислот: последовательность реакций и
характеристика ферментов. Связь между метаболитами общего пути катаболизма и цепями переноса электронов в митохондриях. Аллостерические механизмы регуляции. Перечень витаминов и витаминоподобных веществ, выполняющих коферментную роль в
общем пути катаболизма; биохимические основы повышения биологической ценности
пищи путем введения сбалансированного поливитаминного комплекса.
Основные углеводы пищи и организмов животных. Их содержание в тканях. Биологическая роль углеводов: углеводы с преимущественно энергетической функцией (моносахариды, гомополисахариды) и преимущественно
структурной функцией (гетерополисахариды,
гликолипиды, гликопротеины).
Переваривание углеводов и всасывание про22
2
2
конспект
2
Метаболизм гликогена. Катаболизм
глюкозы.
11
Обмен углеводов.
Пентозофосфатный
путь обмена глюкозы. Биосинтез углеводов.
12. Химическое строение и биологическая роль липидов
(самостоятельно).
13. Липиды. Бетаокисление жирных
кислот и окисление
глицерина.
дуктов переваривания. Глюкоза как важнейший метаболит углеводного обмена. Общая
схема источников и путей расходования глюкозы в организме. Ключевая роль глюкозо-6фосфата в метаболизме углеводов. Гликоген
как резервный полисахарид животных, его
свойства. Катаболизм гликогена (гликогенолиз). Мобилизация гликогена: гидролитический и фосфоролитический пути. Характеристика фосфорилазы. Регуляция мобилизации
гликогена. Катаболизм глюкозы. Аэробный
распад – основной путь катаболизма глюкозы
у человека и других аэробных организмов до
пирувата в цитозоле, с последующим окислительным декарбоксилированием пирувата и
окислением ацетил-КоА в митохондриях до
воды и углекислоты. Анаэробный и аэробный
пути распада глюкозы, их общая характеристика. Анаэробный гликолиз, гликолитическая
оксидоредукция. Субстратное фосфорилирование АДФ. Энергетический баланс анаэробного гликолиза. Спиртовое брожение. Метаболизм этанола в организме, понятие об эндогенном этаноле. Пути обезвреживания этанола: алкогольдегидрогеназа, микросомальная
этанолокисляющая система и каталаза.
Понятие о пентозофосфатном пути превращения глюкозы, химизм процесса; окислительные и неокислительные реакции. Функции. Биосинтез углеводов. Глюконеогенез.
Обходные реакции необратимых стадий гликолиза. Регуляторные ферменты глюконеогенеза, биологическая роль процесса. Взаимосвязь гликолиза в мышечной ткани с глюконеогенезом в печени – цикл Кори (глюкозолактатный цикл). Синтез гликогена, химизм
процесса. Характеристика гликогенсинтазы.
Регуляция синтеза гликогена. Взаимоотношения между ферментами синтеза и распада гликогена. Роль протеинкиназ и цАМФ в синхронизации этих процессов. Углеводы как краткосрочный резерв энергии организма.
Функции липидов в живых системах. Важнейшие липиды тканей. Резервные липиды.
Структурные липиды. Переваривание липидов.
Условия, необходимые для переваривания липидов. Желчные кислоты, строение, роль в
переваривании липидов и всасывании продуктов переваривания. Панкреатическая липаза и
23
2
2
конспект
2
14. Обмен липидов.
Синтез жирных кислот и триглицеридов. Функции
холестерола.
15. Обмен белков и
аминокислот.
ее активаторы. Специфичность действия панкреатической липазы. Переваривание фосфолипидов фосфолипазами А1, А2, С, D и эфиров
холестерина холестеролэстеразой. Конечные
продукты гидролиза липидов, их всасывание.
Ресинтез липидов в кишечной стенке.
Экзогенный и эндогенный транспорт липидов
в организме. Состав и строение транспортных
липопротеиновых комплексов, место образования. Резервирование и мобилизация жиров в
жировой ткани, регуляция этих процессов.
Транспорт жирных кислот альбуминами плазмы крови. Окисление глицерина. Активация
жирных кислот, транспорт ацил-КоА в митохондрии, роль карнитина. Окисление жирных
кислот, энергетика и биологическое значение
процессов.
Центральная роль ацетил-КоА в биосинтезе
кетоновых тел, холестерола и жирных кислот
β-гидрокси-β-метилглутарил-КоА как промежуточный метаболит в синтезе кетоновых тел
и холестерола. Синтез высших жирных кислот
на полиферментном комплексе – синтазе
высших жирных кислот. Строение комплекса.
Роль малонил-КоА в синтезе, его образование.
Роль NADPH в синтезе жирных кислот, источники его образования. Синтез жирных кислот с длинной углеводородной цепью (>16
атомов С). Незаменимые жирные кислоты
пищи. Прямой и обратный транспорт холестерола. Белки, переносящие эфиры холестерола.
Холестерол как предшественник желчных кислот, стероидных гормонов и кальцитриола.
Накопление холестерола в организме как одна
из ведущих причин старения и смерти (атеросклероз). Снижение концентрации холестерола при неконтролируемом делении клеток и
депрессивных состояниях.
Азотистый баланс, его состояния. Понятие о
коэффициенте изнашивания белков, физиологическом минимуме. Нормы белков в питании
человека. Факторы, влияющие на удовлетворение потребности в белках. Переваривание
белков. Желудочный сок, его характеристика.
Роль соляной кислоты. Ферменты желудочного сока Протеолитические ферменты кишечного сока. Основные транспортные системы
для всасывания аминокислот. Регуляция процесса переваривания. Катаболизм белков в
тканях. Белки теплового шока. Ингибиторы
24
2
2
16. Витамины (самостоятельно).
протеолиза. Судьба аминокислот в печени и
тканях. Перенос аминокислот через мембраны
клеток. Общая схема источников и путей расходования аминокислот в тканях. Динамическое состояние белков в организме. Типы превращений аминокислот в клетках по α-аминогруппе, α-карбоксильной группе, радикалу.
Превращения аминокислот по аминогруппе.
Трансаминирование: аминотрансферазы и коферментная функция витамина B6, химизм
процесса. Биологическое значение реакций
трансаминирования. Виды дезаминирования
аминокислот. Окислительное дезаминирование: фермены, химизм процесса. Аммиак как
конечный продукт превращения азотсодержащих соединений у млекопитающих, источники его образования. Обезвреживание аммиака в организме местное и общее, их механизмы. Роль глутамина в обезвреживании и
транспорте аммиака. Связь орнитинового
цикла с циклом трикарбоновых кислот, энергетика. Декарбоксилирование аминокислот.
Характеристика декарбоксилаз. Образование
биогенных аминов, их строение и биологическая роль (триптамин, серотонин, дофамин,
гистамин, -аминомасляная кислота). Обезвреживание биогенных аминов.
История развития учения о витаминах. Клас2
сификация и номенклатура. Отличительные
конособенности витаминов как незаменимых
спект
компонентов питания. Функции витаминов.
Коферментная и некоферментная роль. Нарушения баланса витаминов, их причины. Источники поступления витаминов. Витамины
как внутриклеточные регуляторы метаболизма. Жирорастворимые витамины. Витамин А
(антиксерофтальмический, ретинол). Ретинол,
ретиналь, ретиноевая кислота, провитамины и
возможность образования витамина из них.
Роль β-каротина. Источники, потребность,
биологическая роль (акт зрения, пролиферация клеток, синтез компонентов межклеточного вещества). Витамин D (кальциферолы, антирахитический). Проявления недостаточности и гипервитаминоза. Химическое строение,
биосинтез. Кальцитриол – биологически активная форма; механизм действия и регуляция
фосфатно-кальциевого обмена. Витамин Е
(токоферолы, антистерильный). Проявления
недостаточности; химическое строение, био25
17. Биосинтез ДНК и
РНК. Биосинтез
белка.
логическая роль, источники, потребность. Антиоксидантные комплексы витаминов, применение при радиационных и других поражениях (А,Е,С; β-каротин,Е,С). Расходование витамина Е в процессе реализации антиоксидантного действия. Витамин К (филлохиноны,
антигеморрагический). Проявления недостаточности, химическое строение, биологическая роль, источники, потребность. Витамин
К-зависимая карбоксилаза и карбоксилирование остатков глутамата. Витамин F. Роль эссенциальных полиненасыщенных жирных кислот. Роль -линоленовой кислоты в биосинтезе эйкозаноидов. Аскорбиновая кислота (витамин С, антискорбутный), проявления недостаточности. Химическое строение, свойства,
источники, потребность, биохимические
функции. Витамин Р (рутин), проявления недостаточности, химическое строение, источники, потребность, биохимические функции.
Взаимосвязь в осуществлении биохимических
функций витаминов С и Р. Витамины группы
В (В1,2,3,5,6,9,12) и биотин, коферментные функции, роль в регуляции метаболических путей,
молекулярные и внешние проявления недостаточности, источники, суточные потребности, возможность депонирования и образования микрофлорой кишечника. Полигиповитаминозы: В2, В5, В6 – пеллагра, В9, В12 – анемии.
Нуклеиновые кислоты. Мононуклеотиды –
2
структурные мономеры нуклеиновых кислот.
Строение пуриновых и пиримидиновых оснований. Углеводные компоненты нуклеотидов.
Соединение нуклеотидов в нуклеиновых кислотах. Типы нуклеиновых кислот, их локализация и содержание в клетках. ДНК. Структурная организация молекулы. Структурная
организация ДНК. РНК, типы (иРНК, тРНК,
рРНК), локализация в клетке, содержание, молекулярная масса, функции, строение. Характеристика первичной, вторичной, третичной
структур. Строение рибосомы. Виды переноса
генетической информации в клетках, роль
ДНК и РНК в этих процессах. Репликация, ее
механизм и биологическое значение. Биосинтез РНК (транскрипция), ее механизм и значение. Синтез белков (трансляция), необходимые компоненты процесса. Генетический код;
роль информационной РНК как матрицы
26
18. Общие принципы
регуляции обмена
веществ. Гормоны.
19. Регуляция гормонами обмена жиров, углеводов и
аминокислот. Гормональная регуляция процессов, связанных с ростом и
морфогенезом
20
Биохимия мышц.
(инициирующие, смысловые и терминирующие кодоны). Стадии трансляции. Активация
аминокислот. Стадии инициации, элонгации и
терминации синтеза полипептидной цепи. Регуляция биосинтеза белков. Активаторы и ингибиторы синтеза нуклеиновых кислот и белков, их использование (антибиотики), анаболические вещества.
Общие механизмы регуляции метаболизма: 1)
изменение активности ферментов (активация,
ингибирование); 2) изменение количества
белков-ферментов (индукция, репрессия синтеза белков, изменение скорости катаболизма
ферментов); 3) изменение свойств клеточных
мембран. Гормоны и гормоноподобные вещества, их характеристика. Гормоны как дистантные регуляторы клеточного метаболизма.
Трансгипофизарный и парагипофизарный пути регуляции выработки гормонов. Классификации гормонов: по эндокринным железам, по
химическому строению по особенностям
транспорта в крови (гидрофильные и липофильные), по механизмам действия на клеткумишень (непроникающие, проникающие,
смешанная группа). Типы рецепторов. Гипоталамус – место трансформации электрического сигнала ЦНС в химические биорегуляторы – рилизинг-факторы (7 либеринов и 3
статина). Тропные гормоны гипофиза и их
значение в регуляции функции периферических желез. Гормоны периферических эндокринных желез: йодтиронины, паратгормон,
кальцитонин, адреналин, инсулин, глюкагон,
глюкокортикоиды, минералокортикоиды, половые гормоны: строение, биосинтез, регуляция, недостаточность и избыток гормонов.
Инсулин, глюкагон, адреналин, глюкокортикоиды: строение, биосинтез, регуляция,
транспорт, клетки-мишени, метаболизм, недостаток и избыток гормонов, роль во взаимодействии с окружающей средой. Острый и
хронический стресс. Тироидные гормоны, соматотропин, половые гормоны: строение, биосинтез, регуляция, транспорт, клетки-мишени,
метаболизм, недостаток и избыток гормонов.
Анаболические стероиды в спорте.
Строение мышц. Мышечные белки: миозин,
актин, тропомиозин, тропонин. Саркоплазматический ретикулум. Биохимия сокращения и
расслабления. Источники энергии для мы27
2
2
2
шечной работы, ресинтез АТФ: креатинкиназная реакция, гликолиз, ресинтез АТФ в аэробных процессах.
21. Биохимия физичеБиохимическая адаптация организма к мы2
ских упражнений и шечной деятельности. Мобилизация энергетиспорта.
ческих ресурсов организма при мышечной
деятельности. Потребление кислорода. Роль
гормонов в адаптации к мышечной деятельности. Биохимические изменения в организме
при утомлении и в период отдыха при восстановлении. Роль питания спортсменов в повышении работоспособности. Роль биохимических исследований в спортивной медицине.
ИТОГО: Лекции 36 часов, самостоятельная работа под контролем преподавателя 6 часов; всего 40 часов.
Лабораторные занятия для дисциплины «Биохимия-1» (ДО)
№ Наименование раздела, темы.
1
Введение в биохимию. Особенности работы в биохимической лаборатории. Правила техники
безопасной работы. Белки. Качественные методы определения
аминокислот и белков.
2
Белки. Физико-химические свойства белков.
3
Методы количественного определения белка. (УИРС)
4
Ферменты. Определение специфичности ферментов. Методы качественного выявления и количественного определения активно-
Содержание
1. Цветные реакции на
белки и аминокислоты:
-биуретовая
-нингидриновая
-ксантопротеиновая
-Миллона
-Фоля
2. Реакции осаждения
белков:
- кипячением
- высаливание
- солями тяжелых металлов
- концентрированными
минеральными кислотами
- органическими кислотами
- органическими растворителями
К-во
часов
2
2
Количественное опреде- 2
ление белков сыворотки
крови биуретовым методом
2. Специфичность фер2
ментов:
- специфичность амилазы
- специфичность сахара28
Примечание
сти ферментов. Методы изучения
кинетических свойств ферментов.
зы
3. Тирозиназа картофеля
5
Обобщающее занятие по темам:
Белки, ферменты
Решение эксперимен1
тальных задач.
Чтение и коментирование
аннотаций препаратов и
БАДов
6
Биоэнергетика. Методы определения макроэргических соединений, оценки активности ферментов энергетического обмена. Действие ксенобиотиков на тканевое
дыхание.
2
7
Обмен углеводов. Методы определения субстратов и ферментов
углеводного обмена.
Обмен и функции углеводов.
1. Сопоставление окислительно-восстановительных потенциалов рибофлавина и индикатора
метиленового синего.
2. Экспериментальное
исследование модели
системы цитохромов в
дыхательной цепи.
1.Определение лактата.
Экспресс-определение
глюкозы с помощью
тест-полосок.
1. Омыление жиров.
2.Качественные реакции
-на глицерин
- на холестерол
3.Определение непредельности жиров
2
1.Определение кетоновых тел
2.Количественное определение холестерола в
сыворотке крови «сухой
химией»
Качественные реакции
на витамины:
1. А- с концентрированной серной кислотой
2. В2 - с соляной кислотой +цинк
3. С - с метиленовым синим
2
Качественные реакции на
адреналин, инсулин, кортизол (гидрокортизон).
Обнаружение йода в (ти-
2
8
9
Обмен липидов. Методы определения метаболитов обмена липидов, транспортных форм и ферментов.
10 Обмен липидов. Методы определения метаболитов обмена липидов, транспортных форм и ферментов.
11 Витамины. Биохимические методы количественного и качественного определения витаминов.
12 Гормоны. Биохимические методы
определения нарушений гормональной регуляции обмена веществ. Суточный и другие био-
29
2
2
2
Контроль
ная
работа
60
мин
ритмы.
13 Вводно-солевой и минеральный
обмен. Роль питания в поддержании здорового образа жизни.
14 Биохимия мышечной ткани. Биохимический контроль за состоянием организма в период физической нагрузки и восстановления.
15 Зачетное занятие
ИТОГО:
реоидине)
Открытие в продуктах
2
питания кальция, щавелевой кислоты, катионов
Fe2+ , Fe3+ , йода, анализ
кока-колы и соков, взаимодействие сульфата
кальция с этанолом, действие антоцианов на катионы тяжелых металлов,
«искусственный курильщик», изучение растворимости β- каротина.
1. Полуколичественное
4
определение компонентов мочи с помощью
многокомпонентных
тест-полосок. 2. Определение буферной емкости
сыворотки крови.
3.Решение задач по биохимии спорта.
Оценка практических на- 2
выков. Компьютерное
тестирование
32 часа.
Тематический план лекций для ОЗО (Биохимия-2,3,4)
№
1
2
3
СОДЕРЖАНИЕ
Часы
Белки и ферменты. Уровни структурной организации белковой моле- 2
кулы. Функции белков. Классификация белков. Физико-химические
свойства белков. Белки, определяющие транспорт гемоглобина и мышечное сокращение. Количественное определение белков. Содержание
белков в сыворотке крови здорового человека. Строение ферментов.
Особенности биологических катализаторов. Классификация ферментов.
Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата, фермента, температуры, рН, присутствия активаторов и ингибиторов. Единицы активности ферментов. Индикаторные ферменты сыворотки крови.
Биоэнергетика и окислительные процессы. АТФ – универсальный 2
источник и аккумулятор энергии. Другие макроэргические соединения.
Освобождение энергии при окислении субстратов 1, 2 и 3 рода. Виды
окислительных процессов. Окисление путем дегидрирования субстратов: цепи переноса электронов, окислительное фосфорилирование, дыхательный контроль, разобщение дыхания и фосфорилирования. Окисление путем присоединения кислорода (микросомальное окисление для
обезвреживания ксенобиотиков). Свободнорадикальное окисление, антиоксидантные системы. Здоровье и пероксидное окисление липидов.
Обмен углеводов и липидов. Углеводы и липиды с преимущественно 2
30
структурной и энергетической функциями. Источники и пути расходования глюкозы. Анаэробный и аэробный пути превращения глюкозы,
энергетика. Глюконеогенез. Синтез и распад гликогена (краткосрочный
резерв энергии), регуляция. Аденилатциклазный механизм. Регуляция
уровня глюкозы крови инсулином, адреналином, глюкагоном и глюкокортикоидами. Синтез и распад триацилглицеролов (долгосрочный резерв энергии), регуляция. Бета-окисление жирных кислот и окисление
глицерола как процессы освобождения энергии. Синтез кетоновых тел
(транспортная форма энергии), холестерола и жирных кислот, регуляторные реакции. Накопление холестерола – старение и атеросклероз.
Метаболическая терапия атеросклероза.
4 Обмен аминокислот и нуклеотидов. Гликогенные и кетогенные ами- 2
нокислоты. Метаболизм аминокислот: реакции по аминогруппе (трансаминирование и дезаминирование), реакции по карбоксильной группе
(декарбоксилирование и образование аминоациладенилатов), реакции по
радикалу (метилирование и трансметилирование). Аммиак как конечный
продукт азотистого обмена. Токсичность аммиака. Обезвреживание аммиака: местное обезвреживание, общее обезвреживание (синтез аммонийных солей в почках и синтез мочевины в печени). Синтез и распад
пуриновых нуклеотидов. Мочевая кислота. Подагра. Синтез и распад
пиримидиновых нуклеотидов. Мышечная масса и обмен нуклеотидов.
5 Биохимия спорта и реабилитации. Биохимия сокращения и расслаб- 4
ления мышц. Биохимия физических упражнений и спорта. Биохимия
утомления. Биохимия релаксационного периода после мышечной работы. Интерпретация лабораторных методов исследования при физической
реабилитации.
6* Физическая реабилитация. Биохимическое обоснование рационально- 2
го питания, рационального режима, бальнеологических методов, физиотерапии, массажа, фармакологических методов восстановления. Роль
биохимических лабораторных методов исследования в реабилитации.
– Биохимия-4 (Эрготерапия)
Лабораторные занятия для ОЗО (Биохимия-2,3,4)
№
Наименование раздела, темы,
Элемента
Содержание
1
Введение в биохимию. Особенности
работы в биохимической лаборатории. Правила техники безопасной
работы. Основные физико-химические методы, применяемые в биохимии.
2
Белки. Качественные и количественные методы определения аминокислот и белков. Методы изучения
1. Инструкции по ТБ и
ОТ.
2. Международная система единиц (СИ).
3. Подготовка биологического материала к
исследованию.
4. Определение буферной емкости сыворотки
крови
1. Цветные реакции на
белки и аминокислоты:
-биуретовая
31
К-во
часов
2
2
Примечание
физико-химических свойств белков.
3
Ферменты. Определение специфичности ферментов. Методы качественного выявления и количественного определения активности ферментов.
4
Обмен углеводов. Методы определения субстратов и ферментов углеводного обмена.
5*
Лабораторное выявление, качественная и количественная оценка молекулярных механизмов адаптации.
-нингидриновая
-ксантопротеиновая
-Миллона
-Фоля
2. Реакции осаждения
белков:
- кипячением
- высаливание
- солями тяжелых металлов
- концентрированными
минеральными кислотами
- органическими кислотами
- органическими растворителями
3. Очистка белков методом диализа
4. Количественное определение белков сыворотки крови биуретовым методом
1. Исследование актив- 2
ности амилазы слюны и
ее свойств:
- термолабильность
- оптимум рН
- активаторы и ингибиторы
2. Специфичность ферментов:
- специфичность амилазы
- специфичность сахаразы
3. Тирозиназа картофеля
1. Количественное оп2
ределение глюкозы ортотолуидиновым методом (УИРС).
2. Экспресс-определение глюкозы с помощью тест-полосок.
3. Определение молочной кислоты.
1. Полуколичественное 2
определение компонентов мочи с помощью
32
Контроль
ная
работа
Зачетное тестирование.
многокомпонентных
тест-полосок.
2. Количественное определение гемоглобина
(УИРС)
* – Биохимия-3 (Физическая реабилитация)
КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА
1. Напишите формулы неполярных аминокислот. Назовите их.
2. Напишите формулы полярных незаряженных аминокислот. Назовите их.
3. Напишите формулы отрицательно заряженных и положительно заряженных аминокислот. Назовите их.
4. Опишите принцип определения молекулярной массы белков методом
ультрацентрифугирования.
5. Опишите принцип определения молекулярной массы белков методом
гель-фильтрации.
6. Объясните факторы устойчивости коллоидного раствора белка.
7. Что такое изоэлектрическая точка белка? Какой заряд будут иметь водные растворы белка с избыточным количеством свободных карбоксильных групп?
8. Какой заряд будут иметь водные растворы белка с избыточным количеством свободных аминогрупп? В какой среде будет ИЭТ такого белка?
9-20. Напишите тетрапептид (9. Асн-Фен-Глу-Гис. 10. Ала-Тир-Лиз-Глу.
11. Гис-Ала-Лиз-Мет. 12. Тир-Цис-Лиз-Вал. 13. Вал-Три-Гли-Арг. 14.
Асп-Гис-Тир-Тре. 15. Асп-Вал-Мет-Сер. 16. Тре-Цис-Глу-Иле. 17. ЛейЛиз-Три-Асп. 18. Гис-Асп-Ала-Лиз. 19. Глу-Мет-Лей-Ала. 20. Фен-ТреГли-Цис). В какой области рН данный пептид будет находиться в изоэлектрическом состоянии?
21. Дайте определение первичной структуры белка. Объясните свойства
пептидной связи.
22. Что понимают под вторичной структурой белка. Какие связи стабилизируют вторичную структуру?
23. Что понимают под третичной структурой белка? Какие связи принимают участие в поддержании третичной структуры?
24. Что подразумевают под четвертичной структурой белка? Приведите
примеры. Дайте определение понятиям: протомер, субъединица, мультимер.
25. Что такое денатурация белка? Дайте характеристику денатурирующим
агентам.
26. Опишите принцип радиоиммунного определения количества белков.
27. Классификации белков.
28. Опишите физико-химические методы определения содержания белков
в сыворотке крови.
33
29. Опишите методы высаливания, электрофореза и ультрацентрифугирования, используемые для разделения белков.
30. Опишите хроматографический метод разделения белков на сефадексах.
31. Опишите хроматографический метод разделения белков на ионообменниках.
32. Дайте характеристику метода аффинной хроматографии.
33. Содержание белка сыворотки крови в норме; гиперпротеинемии и гипопротеинемии.
34. Общие свойства неорганических катализаторов и ферментов.
35. Отличия неорганических катализаторов и ферментов.
36. Специфичность ферментов, виды, характеристика, примеры.
37. Классификация и номенклатура ферментов.
38. Структурная организация ферментов. Роль белковой и небелковой части сложных ферментов.
39. Функциональная организация ферментов: активный центр ферментов,
строение, роль в реакциях ферментативного катализа. Аллостерический
центр.
40. Стадии ферментативного катализа. Механизм действия ферментов.
41. Изоферменты.
42. Зависимость активности ферментов от температуры, рН, концентрации
ферментов.
43. Зависимость скорости ферментативной реакции от концентрации субстрата.
44. Классификация ингибиторов ферментов.
45. Конкурентные ингибиторы, механизм действия, изменение кинетики
ферментативного катализа, примеры. Конкурентные ингибиторы как лекарственные препараты.
46. Неконкурентные ингибиторы, механизм действия, изменение кинетики
ферментативного катализа.
47. Ингибиторы необратимого действия, механизм ингибирования ферментов.
48. Активаторы ферментов.
49. Регуляция активности ферментов.
50. Аллостерическая регуляция активности ферментов.
51. Единицы активности ферментов.
52. Резервные углеводы тканей человека, биологическая роль. Схема источников и путей расходования глюкозы в организме. Ключевая роль глюкозо-6-фосфата.
53. Переваривание углеводов, характеристика ферментов.
54. Биосинтез и мобилизация гликогена: последовательность реакций, физиологическое значение.
55. Регуляция активности фосфорилазы и синтазы гликогена.
56. Аэробный распад глюкозы: химизм, физиологическое значение.
34
57. Общие и специфические пути катаболизма.
58. Окислительное декарбоксилирование пирувата: строение пируватдегидрогеназного комплекса и последовательность реакций.
59. Цикл трикарбоновых кислот: последовательность реакций, характеристика ферментов, регуляция. Биологическая роль ЦТК.
60. Анаэробный распад глюкозы: химизм, физиологическое значение. Центральная окислительно-восстановительная реакция гликолиза.
61. Биосинтез глюкозы, физиологическое значение. Глюкозо-лактатный
цикл (цикл Кори).
62. Пентозофосфатный путь превращения глюкозы: химизм, биологическая роль.
63. Переваривание и всасывание липидов. Незаменимые жирные кислоты
пищи. Роль желчных кислот.
64. Транспорт липидов. Липопротеины. Классификация и характеристика
основных классов липопротеинов.
65. Гидролиз триацилглицеролов (триглицеридов). Регуляция.
66. Окисление глицерола. Энергетика процесса.
67. Бета-окисление высших жирных кислот. Роль карнитина. Энергетика
процесса.
68. Биосинтез жирных кислот. Строение пальмитатсинтазного комплекса.
69. Биосинтез холестерола. Регуляция процесса.
70. Переваривание белков. Всасывание аминокислот. Динамическое состояние белков в организме. Азотистый баланс. Биологическая ценность
пищевых белков в питании. Регуляция пищеварения гормоноподобными
веществами.
71. Трансаминирование аминокислот: химизм, значение. Характеристика
трансаминаз. Непрямое дезаминирование аминокислот.
72. Окислительное дезаминирование аминокислот: химизм, характеристика
ферментов. Восстановительное аминирование -кетоглутарата, его значение.
73. Декарбоксилирование аминокислот. Образование биогенных аминов,
их роль в регуляции метаболизма и функции.
74. Источники и пути обезвреживания аммиака в организме. Местное и
общее обезвреживание аммиака. Гипераммониемия. Остаточный азот.
75. Трансметилирование. Метионин и S-аденозилметионин (участие в синтезе креатина, адреналина, фосфатидилхолина, метилировании чужеродных соединений). Участие тетрагидрофолиевой кислоты в метилировании.
76. Представление о биосинтезе и распаде пуриновых и пиримидиновых
нуклеотидов. Нарушения обмена нуклеотидов (подагра).
77. Первичная и вторичная структура ДНК. Репликация.
78. Первичная и вторичная структуры РНК. Типы РНК, строение, локализация в клетке, функции. Биосинтез РНК (транскрипция).
35
79. Биосинтез белков. Биологический код. Основные компоненты белоксинтезирующей системы. Функционирование рибосом и последовательность реакций при синтезе полипептидной цепи.
80-89. Напишите формулы витаминов и укажите их роль в обмене веществ
(В1, В2, В3, В5, В6, В9, С, Р, А, D).
90. Напишите формулу витамина А. В каких формах витамин А участвует
в процессе светоощущения?
91. Назовите предшественников и напишите формулы витаминов D2 и D3.
Укажите биологически активную форму витамина D, образуемую в почках.
92. Опишите механизм участия витамина А в акте светоощущения.
93. Назовите витамины, коферментные производные которых необходимы
для работы пируватдегидрогеназного комплекса.
94. Источники и суточная потребность витаминов (В1, В2, В5,В6, В12, С, А, D).
95. Инсулин, строение, синтез, механизм действия, ткани-мишени. Метаболические эффекты.
96. Глюкагон, строение, синтез, механизм действия, метаболические эффекты.
97. Адреналин, строение, синтез, механизм действия, метаболические эффекты.
98. Глюкокортикоиды, строение, синтез, регуляция выработки, механизм
действия, ткани-мишени. Метаболические эффекты.
99. Альдостерон, строение, синтез, регуляция выработки, механизм действия, ткани-мишени. Метаболические эффекты.
100. Вазопрессин, строение, синтез, регуляция выработки, механизм
действия, метаболические эффекты. Проявление недостаточности вазопрессина.
101. Кальцитонин, строение, синтез, механизм действия, метаболические
эффекты.
102. Паратгормон, строение, синтез, механизм действия, метаболические
эффекты.
103. Йодтиронины, строение, синтез, метаболизм, регуляция выработки,
влияние на обмен веществ. Гипо- и гипертиреозы.
104. Мужские половые гормоны, строение, синтез, регуляция выработки,
влияние на обмен веществ. Анаболические препараты стероидной структуры.
105. Женские половые гормоны, строение, синтез, регуляция выработки,
роль в половом цикле, влияние на обмен веществ.
106. Какие вещества являются источниками энергии для мышечной ткани?
Опишите энергетику мышечного сокращения.
107. Опишите белки мышечного сокращения (миозин, актин).
108. Опишите регуляторные белки мышечного сокращения. Каков механизм мышечного сокращения?
109. Чем отличается энергетическое обеспечение работающих мышц у
спринтера и стайера?
36
110. Биохимические механизмы развития мышечного утомления и лабораторный контроль.
Примечание: в контрольную работу включается 10 вопросов из каждой десятки вопросов; номер вопроса в каждой десятке определяется
последней цифрой номера зачетной книжки.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КУРСА БИОХИМИИ
Введение
Поскольку в учебном плане отсутствует блок химических дисциплин, перед
изучением биохимии следует вспомнить основные химические понятия и термины.
Строение вещества.
Химия – это область естествознания, наука о веществах и их превращениях.
Вещество с физической точки зрения – форма материи, состоящая из частиц, которые
имеют массу покоя, например, атомов, молекул, ионов. Химическое вещество – это
устойчивая совокупность частиц (атомов, ионов, молекул), обладающая определенными химическими и физическими свойствами. Число природных и синтезированных веществ составляет более 10 млн. Каждое вещество характеризуется физическими и химическими свойствами. Физические свойства: агрегатное состояние, температура кипения, температура плавления, плотность, растворимость, цвет, запах, вкус и пр. Химические свойства – способность вещества при определенных условиях или при взаимодействии с другими веществами образовывать новые вещества. Превращения одних
веществ в другие вещества называются химическими реакциями. Мельчайшей химически неделимой частицей вещества является атом. Атом – электронейтральная частица, состоящая из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов. Атомы отличаются размером, массой, которые в свою очередь зависят от заряда
ядра. Поэтому главная характеристика атома – положительный заряд ядра (Z). Вид
атомов с одинаковым зарядом ядра называется химическим элементом. Химический
элемент существует в форме конкретных атомов. Например, химический элемент кислород как вид атомов с зарядом ядра + 8 отличается от химического элемента водорода как вида атомов с зарядом ядра +1.
Соединяясь друг с другом, атомы одного элемента или атомы разных элементов
могут образовывать молекулы и другие ассоциаты атомов. Частицы, из которых состоят вещества в твердом состоянии, могут быть неупорядочены (аморфное строение,
например, стекло), либо упорядочены, в таком случае говорят о кристаллических решетках. В зависимости от частиц, находящихся в узлах кристаллических решеток, различают молекулярные, атомные, ионные кристаллические решетки (особое строение
имеют металлические).
Молекула – это наименьшая частица вещества, способная существовать самостоятельно и сохраняющая его химические свойства. Качественный и количественный
состав химического вещества определяет его формулу. Для веществ молекулярного состава – это молекулярная формула. Формула глюкозы С6Н12О6 показывает, сколько
атомов химического элемента входит в молекулу глюкозы. Для ионного строения поваренной соли молекулярную формулу написать невозможно, так как вокруг одного
иона натрия располагается шесть ионов хлора, т.е. отношение их 6:6, или 1:1. Для веществ немолекулярного состава используется понятие формульная единица – NaCl,
которая показывает простейшее соотношение числа атомов (или ионов).
Порядок соединения атомов друг с другом показывается с помощью структурных формул для молекулярных веществ, в которых каждая черточка обозначает общую
37
электронную пару, т.е. одну химическую связь (Н-О-Н – вода) и графических формул –
для веществ немолекулярного состава.
Вокруг ядра в атоме движутся электроны. Так как электроны не имеют траектории, в настоящее время для описания движения электронов принят вероятностный
подход. Определяется не точное положение электронов в атоме, а вероятность его нахождения в области вокруг ядра. Область около ядерного пространства, в которой
наиболее вероятно нахождение данного электрона, называется атомной или
электронной орбиталью. Орбитали описываются конкретными энергетическими характеристиками, которые называются квантовыми числами. Число «n»-главное квантовое число характеризует энергию, определяющую энергетический уровень, радиус орбитали. Число «l» – побочное квантовое – характеризует энергетический подуровень и
форму электронной орбитали, число «m» – магнитное– определяет количество направлений, которые могут занять орбитали определенной формы в пространстве. Орбитали имеют определенную форму. Орбитали s-подуровня имеют сферическую форму,
р-подуровня – гантелеообразную, d-подуровня – лепестковую. Электронные орбитали
последнего от ядра уровня называются валентными, так как они участвуют в образовании химических связей. Химическая связь – это взаимодействие, связывающее
атомы в молекулы, кристаллы и другие сложные системы. Различают три основных
типа химических связей: ковалентную, ионную и металлическую. Связь, образованная парой электронов, называется ковалентной. В ее образовании могут принимать
участие по одному не спаренному (одиночному электрону), такой механизм называется обменным. В другом случае она образована одной парой электронов одного атома и пустой орбиталью другого атома. Это донорно-акцепторный механизм.
Валентность (ковалентность) мера способности атомов данного элемента соединяться с атомами других элементов. Она определяется числом ковалентных связей,
которыми данный атом связан с другими атомами, образованных за счет неспаренных
электронов, неподеленных электронных пар и вакантных (свободных) орбиталей
Другими словами, валентность атома – это сумма всех его орбиталей участвующих в образовании химических связей.
При образовании химических связей, возникающих при столкновении атомов,
меняется энергия электронов, что увеличивает валентные возможности атомов за
счет распаривания электронов. В результате электронные орбитали принимают другую
конфигурацию. Например, валентность углерода в одиночном атоме равна двум, так
как имеет два не спаренных электрона. В молекуле метана СН4 валентность углерода
равна четырем, так как электрон с s-подуровня перешел на р-подуровень.
Такое состояние, в котором каждый из валентных электронов занимает свою орбиталь, и может образовать связь с электроном атома-партнера называется валентным
состоянием элемента.
Рис.1 Основное (С) и возбужденное (С*) состояние атома углерода
Следует помнить, что переход в валентное состояние (sр3, sр2, sр) не представляет собой часть какого-либо реального процесса, а является лишь удобным приемом,
объясняющим, как происходит комбинация атомов с образованием молекулы.
Валентное состояние атома углерода в метане отражает конфигурация
…2s12p3 (или подробнее 2s12px12py12pz1) (Рис.1). Электронное распределение в возбуж38
денном атоме углерода в этом случае должно представлять собой сферу, причем один
из валентных электронов находится на сферической 2s-орбитали, а остальные три – по
одному на каждой орбитали 2px, 2py, 2pz, т.е. одна связь энергетически должна отличаться от трех остальных. Однако, данные рентгено-структурного анализа показывают,
что в молекуле метана все четыре связи равноценны (молекула симметрична и имеет
форму тетраэдра, орбитали направлены под углом 109º28’ друг к другу). Следовательно, на образование связей атом углерода должен представить одинаковые по энергии
орбитали. Такие орбитали могут быть описаны как линейные комбинации одной s- и
трех р-орбиталей и моделируются как неравномерные гантели.
При этом
сколько орбиталей участвует в гибридизации, столько образуется гибридных. В соответствии с этим новые орбитали называются sp3-гибридными орбиталями.
Рис. 1. Строение молекулы метана
(тетраэдр из sp3-гибридных орбиталей)
Связи, образованные за счет перекрытия орбиталей вдоль линии соединения
атомов, называются σ-связи (Рис. 2)
Рис. 2. Способы образования сигма-перекрывания орбиталей
Одна из основных особенностей атомов углерода, азота и кислорода состоит в
том, что они чаще, чем другие элементы, образуют кратные – двойные и тройные связи.
В молекуле этилена (СН2=СН2) оба углеродных атома находятся в sp2-гибридном состоянии, имея по три гибридных орбитали и одной «чистой» р-орбитали. Гибридные
орбитали образуют три σ-связи: одну С-С и две связи С-Н, которые лежат в одной
плоскости под углом 120º друг к другу. Оставшиеся негибридные р-орбитали атомов
углерода перпендикулярны этой плоскости и их перекрывание приводит к образованию
π-связи (Рис.3)
Рис.3. Пи-перекрывание орбиталей.
Рис.4.Строение молекулы этилена.
Эта связь предполагает, что максимумы перекрывания электронной плоскости
не находятся на линии, соединяющей центры атомов, а расположены на одинаковых
расстояниях от этой линии. Перекрывание трех р-орбиталей двух атомов углерода в
молекуле ацетилена дает тройную связь: гибридизованные s px-орбитали образуют σсвязь, а py и pz-орбитали – две π-связи.
Особыми свойствами обладают вещества, у которых двойные связи и располагаются через одну сигма-связь, например, СН2 = СН–СН=СН2. При таком расстоянии
возможно перекрывание р-орбиталей двух π-связей с образованием общего π39
электронного делокализованного облака. Расстояние между всеми атомами углерода
одинаковые. Такой эффект называется сопряжением. Бывает несколько видов сопряжения. (Схема 1).
Эффекты сопряжения: сохранение плоской структуры, более высокая устойчивость системы вследствие делокализации (увеличения энтропии), «передача» электронной плотности без изменения, например, передача энергии по сопряженной системе хлорофилла.
Виды сопряжения
π-π –сопряжение
Кратные связи разделяются одинарной
σ - связью
═─═
НС2 = СH-CН=CH2
C
C C C
р –πсопряжение
Рядом с ратной связью находится атом с
НЭП на рорбитали.
═─••
-C-C=C-O-H
∙∙
-
-C
C C
р –π-сопряжение
Кратная связь отделена одинарной от атома
с вакантной рорбиталью или частично занята.
═─+
R
‫׀‬
‫׀‬
-C=C-C-C-
-C=C-C-R
-H
-
C
C C
Для химической связи между разными атомами характерно смещение электронной плотности к более электроотрицательному атому. Это приводит к возникновению
частичных положительных и отрицательных зарядов на атомах. Такая связь является
полярной и характеризуется постоянным дипольным моментом. В предельном случае
полярности, когда электронные облака взаимодействующих атомов разделены настолько, что можно говорить об образовании противоположно заряженных ионов, мы имеем
дело с ионной связью. Ионы – одноатомные или многоатомные частицы, несущие
электрический заряд (катионы – положительный, анионы – отрицательный). Соединения, которые образовались путем притяжения ионов, называются гетерополярными или
ионными.
Металлическая связь не характерна для биомолекул.
Водород, кислород, азот, углерод, фосфор и сера (элементы-органогены) образуют большинство молекул живых организмов. Все они образуют ковалентные связи
путем спаривания электронов. Чтобы приобрести устойчивую восьми электронную
конфигурацию внешней электронной оболочки, водороду требуется один электрон, кислороду – два, азоту – три, углероду – четыре, фосфору – пять, сере – шесть электронов. Набора из указанных атомов достаточно для построения почти всех необходимых
биоорганических молекул. Только изредка – при построении молекул с какими-нибудь
уникальными свойствами – возникает необходимость в других атомах. Как известно,
прочность ковалентной связи между атомами обратно пропорциональна их атомным
массам. Поэтому первые из четырех указанных элементов, включая атом углерода, образуют наиболее стабильные связи в биоорганических молекулах. Способность углеро40
да образовывать углерод-углеродные связи обеспечивает формирование каркаса
большинства биоорганических молекул. Кроме того, спаренные электроны образуют
вокруг каждого углерода тетраэдрическую конфигурацию, благодаря чему разные
типы органических молекул обладают различной трехмерной структурой.
Тетраэдрическая структура атома углерода обусловливает явление асимметрии
многих биоорганических молекул. Молекулы, в которых один из атомов углерода связан с различными четырьмя другими атомами или группами атомов, могут приобретать
две различные пространственные конфигурации, являющиеся зеркальным отражением
друг друга (хиральные молекулы).
A
A
Такие соединения называются оптическими изомерами. Одно из них
B
C
B
C
вращает плоскость поляризации света в
одном направлении, а другое – в противоC C
D
D
положном. Атом углерода, ответственный
за асимметрию, называется асимметричеРис.5.Оптические (зеркальные изомеры)
ским атомом. Например, число стереоизомеров моносахарида зависит от числа ассиметричных углеродных атомов. Альдогексозы содержат 4 таких атома и могут образовывать 24 стереоизомеров. Наиболее просто
устроенным моносахаридом, имеющим оптически активные стереоизомеры, является
глицериновый альдегид. Он существует в двух формах: D (правовращающий) и L (левовращающий). D- и L-глицериновые альдегиды можно условно считать родоначальниками двух рядов моносахаридов – D- и L-рядов, различающихся по пространственной конфигурации. Принадлежность к D- или L-ряду определяется положением водорода и гидроксила у наиболее удаленного от альдегидной или кетонной группы асимметрического углеродного атома по сравнению с их положением у асимметрического
углеродного атома D- или L-глицеринового альдегида. В организме человека присутствуют D-моносахариды и L-аминокислоты.
Ковалентные связи характеризуются определенной длиной, т.е. расстоянием
между ядрами связанных атомов, и энергией связи. Энергия связи – это то количество
энергии, которое надо затратить, чтобы разорвать связь, т.е. раздвинуть ядра атомов на
бесконечно большое расстояние. Например, для С-С связи длина составляет 0,154 нм, а
энергия связи 247,0 кДж/моль, или 59 ккал/моль, для связи С-Н - 0,109 нм и 364,2
кДж/моль, или 87 ккал/моль, соответственно. Ковалентные связи белков в третичной
структуре обеспечивает непрочная дисульфидная связь (S-S). Менее прочная связь О-О
присутствует в пероксиде водорода. В биохимии используется еще одно понятие энергии, которое называется свободной энергией. Оно определяет соотношение внутренней энергии исходных веществ и продуктов реакции, поэтому проявляется при химическом взаимодействии. Например, весьма богатая энергией связь Р-О (фосфоангидридная) служит универсальным источником энергии, обеспечивающим протекание всех метаболических процессов организма и называется макроэргической (обозначается значком «~» тильда). Это значит, что при гидролизе фосфо-ангидридной связи образуются продукты с более низкой свободной энергией.
Взаимодействие между атомами, ионами, молекулами сопровождается определенным пространственным расположением частиц относительно друг друга, которые
не укладываются в рамки обычных представлений о валентности. В связи с этим введено понятие о комплексных соединениях, которые состоят из центрального комплексообразователя (в простейшем случае – металла, окруженного анионами) или нейтральными молекулами – лигандами, ковалентно связанными по донорно41
акцепторному механизму (комплексообразователь – акцептор, лиганд – донор). Комплексообразователь и лиганды образуют внутреннюю сферу комплексного соединения,
которую при составлении координационной формулы заключают в квадратные скобки.
Количество σ-связей, которые образует с лигандами комплексообразователь, называется координационным числом. Если внутренняя сфера имеет заряд, то в состав соединений входит противоположно заряженные ионы внешней сферы, связанные с комплексной частицей (внутренней сферой) ионной связью.
Энергия ион-ионных взаимодействий зависит от заряда ионов и расстояния между их центрами, т.е. увеличивается с ростом зарядов ионов и уменьшения их радиусов. Электростатические взаимодействия играют важную роль в во взаимодействии
биорегуляторов с рецепторами и субстратов с ферментами.
Ковалентные связи и ион-ионные взаимодействия обеспечивают прочность биомолекул, а подвижность и гибкость живых систем определяют невалентные взаимодействия. Если атом водорода связан ковалентной связью с каким либо сильно электроотрицательным элементом (кислород, азот, хлор, сера), то он может одновременно
притягиваться к другому атому, имеющему высокую электронную плотность. Энергия
такого притяжения составляет 4-40 кДж/моль, т.е. на порядок меньше энергии ковалентной связи. Такое взаимодействие называют «водородная связь». Между молекулами, которые являются валентно насыщенными в обычном представлении, существуют силы притяжения – силы Ван-дер-Ваальса. Этот тип взаимодействия может возникать только в тех случаях, когда геометрия двух молекул дает возможность двум атомам, способным к такому взаимодействию, подойти друг к другу на достаточно близкое расстояние. Энергия вандерваальсовых сил изменяется обратно пропорционально
шестой степени расстояния, и поэтому они действуют только на очень коротких расстояниях. Гидрофобными взаимодействиями называют взаимодействия между неполярными молекулами (углеводороды) и неполярными группами молекул (в аминокислотах, липидах и др.) в водных растворах. Термин гидрофобное взаимодействие был
предложен для описания вандерваальсовых сил притяжения между атомами неполяризованных участков двух молекул, окруженных молекулами воды (молекулы воды не
проникают в пространство между взаимодействующими гидрофобными поверхностями
частиц). Этот термин пактически не имеет энергетического смысла. Вещества, построенные посредством ковалентных неполярных или мало полярных связей, не растворяются в воде, иными словами, гидрофобны. Гидрофобные взаимодействия между ними
способствуют их взаимной растворимости. Поскольку мало полярны по своей природе
липиды (жиры), такие вещества называют липофильными. Напротив, взаимодействия
с молекулами воды способствуют растворению в ней сильно полярных и ионных соединений. Эти вещества гидрофильны. Амфипатические (амфифильные) соединения, у которых молекулы состоят из длинного углеводородного радикала («хвоста») и
ионного центра («головка»), принимают участие в построении мембран (гидрофобное
взаимодействие между хвостами внутри мембраны и обращение гидрофильных «головок» к диполям воды. Особое значение для построения мембран имеют фосфолипиды.
Масса и количество вещества – разные понятия. Масса выражается в килограммах (граммах), а количество вещества – в молях. Стехиометрия – раздел химии, в котором рассматриваются массовые и объемные отношения между реагирующими веществами. Стехиометрические расчеты – это расчеты по химическим формулам и уравнениям, а также вывод формул веществ и уравнений реакций.
В организме человека обнаружено около 70 элементов таблицы
Д.И.Менделеева. По количественному содержанию в организме химические элементы
делят на 4 группы. Первая группа – макробиогенные элементы (главные), их содержание более 1% (кислород, углерод, азот и водород). Вторая группа – олигобиогенные
42
элементы, доля которых от 0,1 до 1% (кальций, фосфор, калий, хлор, сера, магний, железо). Третья группа – микробиогенные элементы, содержание которых ниже 0,01%
(цинк, марганец, кобальт, медь, бром, йод, молибден и др.). Четвертая группа – ультрамикробиогенные элементы, концентрация их не превышает 1 10-6 % (литий, кремний, олово, кадмий, селен, титан, ванадий, хром и др.).
Органическая химия – химия соединений углерода, или точнее, это химия углеводородов (УВ) и их производных. УВ – простейшие органические вещества, молекулы которых состоят из атомов только двух элементов – углерода и водорода. Производные УВ – продукты замещения атомов водорода в молекулах УВ на другие атомы
или группы атомов. Валентность углерода во всех органических соединениях равна IV.
Особенностью углерода является способность его атомов образовывать связи друг с
другом. Углерод-углеродные цепи могут быть прямыми, разветвленными и циклическими. Связи между атомами углерода могут быть одинарными, двойными и тройными. Свойства веществ зависят не только от качественного и количественного состава,
но и от строения их молекул. Вещества, имеющие одинаковый состав, но разное строение молекул и поэтому разные свойства, называются изомерами. Различают изомерию
углеродного скелета, положения функциональной группы, пространственную изомерию (цисс-транс-изомерия и оптическая изомерия).
Разнообразные органические соединения можно рассматривать как производные
УВ, полученные введением в них функциональных групп. Функциональная группа –
это атом или группа атомов неуглеводородного характера, определяющая принадлежность соединения к определенному классу и обусловливающая важнейшие химические
свойства веществ. Остаток УВ, связанный с функциональной группой, называется углеводородным радикалом.
Органические соединения делятся на алифатические (соединения с открытой
углеродной цепью, прямой или разветвленной) и циклические. Алифатические делятся на предельные (атомы углерода связаны только одинарными связями) и непредельные (содержат кратные углерод-углеродные связи). Циклические делятся на карбоциклические (содержат циклы, состоящие только из атомов углерода) и гетероциклические (содержат циклы, в состав которых входят не только атомы углерода (например, N, O, S).
Ароматические УВ (арены) – это соединения, в молекулах которых содержится
особая циклическая группировка из 6 атомов углерода – бензольное ядро. Ароматичность определяет химические свойства бензола и его гомологов. Шестиэлектронная система является более устойчивой, чем обычные двухэлектронные -связи. Поэтому
реакции присоединения менее характерны для ароматических УВ, чем для непредельных УВ. Наиболее характерными для аренов являются реакции замещения. Таким образом, ароматические УВ по своим химическим свойствам занимают промежуточное
положение между предельными и непредельными УВ.
К кислородсодержащим органическим соединениям относят спирты, фенолы,
альдегиды, карбоновые кислоты, сложные эфиры, жиры и углеводы. К азотсодержащим органическим соединениям относят амины, аминокислоты, белки, Nсодержащие гетероциклы (пуриновые, пиримидиновые основания и др.), нуклеотиды,
нуклеиновые кислоты.
В органической химии можно выделить 7 типов реакций.
1. Реакции замещения R-X + Y-Z R-Y + XZ
2. Реакции присоединения R-CH=CH-R’ + X-Y R-CHX-CHY-R’
3. Реакции отщепления, напр., дегидрирование СН3-СН2-СН3 СН3-СН=СН2+Н2
4. Реакции разложения, напр., брожение С6Н12О6 2С2Н5ОН + 2СО2
5. Реакции ди-, три-, полимеризации nCH2=CH2 (-CH2-CH2-)n
43
6. Реакция конденсации, напр., образование пептидной связи
R-CHNH2-COOH + R’-CHNH2-COOH
NH2-CHR -CO-NH-CHR’-COOH +
H2O
7. Реакции окисления, напр., горение СH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
Все биоорганические вещества, функционирующие в клетке можно расположить
в связи с уровнями организации клетки. Первый уровень занимают низкомолекулярные предшественники клеточных компонентов (углекислый газ, молекулярный кислород, азот, неорганические ионы, химические элементы). На втором уровне стоят промежуточные химические соединения (аммиак, органические кислоты и их производные, карбамоилфосфат, рибоза и др.). Из соединений первого и второго уровней в процессе жизнедеятельности клеток образуются биологические мономеры, которые являются строительным материалом для биополимеров, имеющих большую молекулярную массу и отличающихся огромным разнообразием. Промежуточное положение между биологическими мономерами и биополимерами занимают низкомолекулярные
биорегуляторы (витамины, коферменты, биогенные амины и др.). Они не являются
строительными блоками биополимеров, а по молекулярной массе ближе к мономерам.
Биополимеры способны ковалентно соединяться друг с другом, образуя сложные макромолекулы (липопротеины, нуклеопротеины, гликопротеины, гликолипиды, протеогликаны и др.). Взаимодействием простых и сложных макромолекул создаются надмолекулярные структуры (полиферментные комплексы). Далее путем самосборки могут
образовываться клеточные органеллы (митохондрии, ядра, рибосомы, лизосомы и
пр.). Мембраны ограничивающие клеточные органеллы образуют различные компартменты клеток. Неорганизованное вещество цитоплазмы (цитозоля), органелл и мембранных структур образуют клетку.
На долю воды приходится 60-80% массы органов и тканей. Вода составляет основу жидких дисперсных систем организма: крови, лимфы, мочи, слюны, желудочного
и кишечного соков, синовиальной и спинномозговой жидкостей, внутреннего содержимого клеток, межклеточной жидкости. Дисперсными называются системы, состоящие из мелко раздробленных частиц одного вещества (или нескольких), распределенных равномерно в массе другого вещества. Раздробленное вещество называют дисперсной фазой. Вещество, в котором происходит распределение частиц дисперсной
фазы, называется дисперсионной средой. В большинстве жидких дисперсных систем
организма вода является дисперсионной средой. В клеточных мембранах, состоящих в
основном из белков и липидов, она может играть роль дисперсной фазы. По степени
дисперсности (т.е. по размеру частиц дисперсной фазы) различают: 1) истинные растворы (размер частиц дисперсной фазы меньше 10-7 см, молекулярные растворы моносахаридов, спиртов и др. и ионные растворы кислот, оснований, солей; 2) коллоидные
растворы (размеры частиц дисперсной фазы 10-7-10-5 см, лиофильные – жидкие (золи)
и студнеобразные (гели) растворы белков и полисахаридов; 3) взвеси (размеры частиц
дисперсной фазы больше 10-5 см, суспензии – взвесь эритроцитов в плазме крови и
эмульсии – молоко, взвесь жировых капель в кишечном соке. Диффузия – движение
частиц дисперсной фазы (растворенное вещество) и дисперсионной среды (растворитель), приводящего к самопроизвольному выравниванию их концентраций по всему
объему дисперсной системы, после чего устанавливается состояние равновесия. Скорость диффузии прямо пропорциональна площади поперечного сечения системы, величине градиента концентрации, абсолютной температуре системы, но обратно пропорциональна величине диффундирующих частиц и вязкости растворителя. Особым
видом диффузии является диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану,
которая непроницаема или малопроницаема для многих растворенных веществ. Растворитель движется через мембрану в двух направлениях, но скорость его движения в
44
сторону раствора с большей концентрацией растворенного вещества и меньшей – растворителя значительно выше, чем в обратном направлении. Такая односторонняя диффузия растворителя через полупроницаемую мембрану называется осмос. Сила, вызывающая осмос, получила название осмотического давления. Белковая составляющая
осмотического давления называется онкотическим давлением. Отделение крупномолекулярных веществ (белков) от низкомолекулярных примесей (соли) с помощью полупроницаемых мембран называют диализом. Растворы, имеющие при одинаковых
условиях равную концентрацию частиц растворенного вещества и, следовательно, равное осмотическое давление, относят к изотоническим. Растворы с разным осмотическим давлением называются анизотоническими. Из двух анизотонических растворов
раствор с меньшим осмотическим давлением называется гипотоническим, с большим
– гипертоническим.
Химическая реакция.
В реакции участвуют исходные вещества, получаются продукты реакции. Следует различать условия реакции, изменение температуры, давления, поверхности соприкосновения применение катализатора и признаки реакции, которые регистрируются визуально, либо приборами. Современными приборами можно зарегистрировать
образование химической связи. Сущность химической реакции состоит в перегруппировке атомов веществ, участников реакции. Для этого старые связи должны разорваться, энергия затрачивается, Е<0 (рис.6А, «к»), процесс экзотермический, и образоваться
новые, процесс экзотермический Е>0, энергия выделяется (Рис.6 А «Д»). Результативный энергетический эффект определяется алгебраической суммой двух процессов. На
диаграммах видно, что если энергия разрыва связей больше, чем энергия образования
химической связи, то процесс эндотермический (Рис. 6 Б).
Учение о скорости химических реакций и факторах, влияющих на нее, называется химической кинетикой. Скорость реакции определяется как изменение концентраций реагирующих веществ, происходящее в единицу времени.
А
В
Рис.6 Энергетическая диаграмма хода экзотермической (А) и эндотермической
(В) реакции
Реакция становится возможной только при столкновении молекул. Чем больше
молекул в единице объема, тем чаще они сталкиваются друг с другом, тем быстрее
преобразуются. Зависимость скорости реакции от концентрации реагирующих веществ
получила название закона действующих масс, согласно которому для реакции
А+В С+Д скорость может быть выражена уравнением: v=K [A] [B], где v – скорость
реакции, К – константа скорости, отражающая влияние химической природы вещества
и условий, в которой протекает реакция, на ее скорость, [A] и [B] – концентрация реагентов в моль/л. В обратимых реакциях со временем устанавливается состояние динамического равновесия. Для каждой реакции состояние динамического равновесия ха-
45
рактеризуется константой химического равновесия. Не каждое столкновение реагирующих молекул приводит к взаимодействию. Чтобы реакция началась, молекулы
должны обладать определенным запасом энергии, достаточным для преодоления энергетического барьера, который создается межмолекулярными силами отталкивания и
внутримолекулярными силами сцепления (прочностью химических связей). Количество энергии, необходимое молю реагирующего вещества для вступления в реакцию, называется энергией активации (Рис.6А «Еа») и выражается в кДж/моль. В точке энергии активации молекулы находятся в состоянии активированного комплекса, когда
старые связи еще не разорвались, а новые не образовались. На Рис.6А пунктиром показаны связи активированного комплекса в состоянии «напряжения» при взаимодействии молекул водорода с хлором. Энергетический барьер снижают катализаторы.
Этот эффект достигается, благодаря стадии образования промежуточного соединения
реагентов с катализатором. При гомогенном катализе скорость процесса прямо пропорциональна концентрации катализатора, так как главную роль в этом процессе играет
образование промежуточного соединения. В гетерогенном катализе большое значение
имеют явления адсорбции на поверхности катализатора, в результате чего повышается
концентрация реагирующих молекул; поэтому, чем больше удельная поверхность гетерогенного катализатора, тем выше скорость реакции.
Термодинамические аспекты направление реакций. Самопроизвольные реакции идут в сторону продуктов с меньшей свободной энергией и с большим уровнем
«беспорядка». Свободная энергия (Энергия Гиббса - G) определяется по формуле
ΔG=ΔН–TΔS, где ΔG – изменение энергии Гиббса, ΔН – теплосодержание системы,
энергия, которая может быть использована на совершение работы, TΔS – энергия, рассеивающаяся в виде тепла. Системы с меньшей свободной энергией более устойчивые
на диаграмме (Рис.6Б) видно, что свободная энергия исходных веществ меньше продуктов, следовательно, исходные вещества более термодинамически стабильны. Свободная энергия важна для определения направления реакции. Если ΔG<0, реакция идет
вправо в сторону продуктов, если ΔG>0, реакция идет влево, или иначе не идет. Если
ΔG =0 реакция находится в равновесии.
XX век – век геномики, посвященный расшифровки генома человека; ХХI век –
век протеомики (исследование индивидуальных особенностей белкового спектра, т.е.
фенотипа). Ф.Энгельс писал:» Жизнь – это способ существования белковых тел, существенным моментом которого является постоянный обмен веществ с окружающей их
внешней средой, причем с прекращением этого обмена веществ прекращается и
жизнь». В обмене веществ принято выделять пластический, функциональный и энергетический обмен. Под пластическим обменом понимают комплекс химических реакций, приводящих к синтезу специфических для организма веществ (структурных веществ, ферментов, гормонов, различных секретов, запасных источников энергии).
Функциональный обмен – это комплекс реакций, обеспечивающих функциональную
активность клетки, ткани, органа. Функциональный обмен связан в основном с процессами преобразования энергии. Энергетический обмен – это комплекс химических реакций, в процессе которых за счет энергии, освобождающейся при распаде углеводов,
жиров, продуктов белкового обмена, происходит новообразование (ресинтез) молекул
АТФ (других макроэргических соединений), распавшихся в процессе энергетического
обеспечения функциональной или пластической деятельности клеток. Обмен веществ
слагается из обмена с внешней средой, под которым понимается поступление в организм продуктов питания, кислорода и выделение в окружающую среду конечных продуктов обмена, и промежуточного (межуточного) обмена – комплекса химических
реакций, происходящих в организме с поступившими химическими соединениями. Ве-
46
щества, образующиеся в ходе промежуточного обмена, принято называть метаболитами.
БЕЛКИ
Белки, определение: Белки являются основными биополимерами
клеток, за счет которых осуществляются практически все функции. В
большинстве белков имеется постоянное содержание азота, равное 16%.
Поэтому количество белков иногда выражают через азот: количество белка
= содержание азота × 6,25. Различные ткани отличаются по содержанию
белков. В пересчете на сухую массу в селезенке 84% белков, в легких –
82%, в мышцах – 80%, а в костях – 24-28%. Термин «белок» происходит от
немецкого слова «Eiwei », что означает яичный белок или вообще белок.
Другое название – протеины (происходит от греческого слова «протос» –
первичный. Белки – это полимеры, построенные из аминокислот. Протеиногенные аминокислоты делят на 4 группы:
1) неполярные (гидрофобные):
H2N CH COOH
CH3
H2N CH COOH
CH CH3
CH3
Аланин (Ала)
Валин (Вал)
H2N CH COOH
CH CH3
CH2
CH3
Изолейцин (Иле)
H2N CH COOH
CH2
CH2
S
CH3
Метионин (Мет)
H2N CH COOH
CH2
N
H
Триптофан (Три)
N
H
H2N CH COOH
CH2
CH CH3
CH3
Лейцин (Лей)
H2N CH COOH
CH2
Фенилаланин (Фен)
COOH
Пролин (Про)
2) полярные (гидрофильные), незаряженные:
47
H2N CH COOH
CH2
OH
H2N CH COOH
CH OH
CH3
Глицин (Гли)
Серин (Сер)
Треонин (Тре)
H2N CH COOH
CH2
SH
H2N CH COOH
CH2
H2N CH COOH
H
Цистеин (Цис)
OH
H2N CH COOH H2N CH COOH
CH2
CH2
CH2
CONH2
CONH2
Аспарагин (Асн)
Глутамин (Глн)
Тирозин (Тир)
3) отрицательно заряженные:
H2N CH COOH
CH2
COOH
H2N CH COOH
CH2
CH2
COOH
Аспарагиновая
Глутаминовая
кислота (Асп)
кислота (Глу)
4) положительно заряженные:
H2N CH COOH
H2N CH COOH
H2N CH COOH
CH2
CH2
CH2
N
CH2
CH2
CH2
CH2
N
NH
H
CH2
C NH
NH2
NH2
Лизин (Лиз)
Аргинин (Арг)
Гистидин (Гис)
Основное химическое свойство – амфотерность; -NH2 и -COOH
группы участвуют в образовании пептидных связей.
Связи, образованные радикалами аминокислот: 1) гидрофобные
радикалы образуют гидрофобные взаимодействия; 2) гидрофильные радикалы отвечают за образование водородных связей; 3) полярные (заряженные) радикалы – за образование ионных связей; 4) сближение двух радикалов цистеина цис-SH + цис-SH ведет к образованию дисульфидной связи
цис-S-S-цис.
48
Классификация белков. Белки – высокомолекулярные полипептиды. Граница между полипептидами и белками лежит в диапазоне молекулярной массы 6000-12000 Дальтон. 1) Простые белки состоят только из
аминокислот. Сложные белки содержат кроме аминокислот добавочные
(простетические) группы: гемпротеины (гем), липопротеины (липиды),
гликопротеины (углеводы), металлопротеины (металлы). Белковая часть
таких белков – апопротеины. 2) Классификация по растворимости: альбумины растворимы в воде и солевых растворах; глобулины плохо растворимы в воде, но хорошо в солевых растворах; проламины растворимы в 7080% растворах этанола, но не растворимы в воде и абсолютном этаноле;
гистоны (богаты аргинином) растворимы в солевых растворах; склеропротеины нерастворимы в воде и солевых растворах (богаты гли, ала, про). 3)
По величине аксиального отношения (отношение длины молекулы к ширине) белки делят на глобулярные (аксиальное отношение меньше 10, чаще 3,4) – ферменты, альбумины, глобулины и фибриллярные (аксиальное
отношение больше 10 (кератин, миозин, коллаген, фиброин).
Функции белков: 1) каталитическая (ферменты); 2) сократительная
(актин, миозин); 3) регуляция генов (гистоны, репрессорные белки); 4)
гормональная роль (инсулин, соматотропин); 5) защитная роль (белки
свертывающей системы крови, белки иммунной системы организма, ферменты обезвреживания – цитохромы Р450); 6) регуляторная роль (кальмодулин); 7) структурная роль (коллаген, эластин); 8) транспорт веществ (неспецифический транспортер – альбумины, специфические переносчики в
плазме крови, гемоглобин, транспортные системы мембран); 9) пластическая роль (белки – компоненты мембран); 10) гомеостатическая роль (гемоглобиновая буферная система; онкотическое давление).
Молекулярная масса белков
1) Метод ультрацентрифугирования. В пробирке ультрацентрифуги
создается центробежное ускорение, превышающее земное до 500000 раз.
По мере перемещения молекул белка в центробежном поле они разделяются по молекулярной массе. При этом образуются границы белок – растворитель, скорость перемещения которых можно определить.
Вначале вычисляют константу седиментации белка (S), которая
зависит от массы и формы белковой молекулы: где –
скорость перемещения границы белок – растворитель; S = ——
2
– угловая скорость ротора (рад/с); r – расстояние от
r
центра ротора до середины пробирки с раствором белка. S
выражается в секундах; S=1 10-13с принята за единицу и
названа сведбергом. Константы седиментации для белков чаще в пределах
1-50 S. Величина молекулярной массы вычисляется по уравнению Сведберга: где R – газовая постоянная; Т – абсолютная
RTS
температура; S – константа седиментации; D – ко- М.м. =
——
эффициент диффузии; – парциальный удельный
D (1)
49
объем молекулы белка; – плотность растворителя.
2) Гель-фильтрация. Калибруют колонку, заполненную стандартными гранулами сефадекса (учитывается расстояние между гранулами и величина пор в гранулах), белками с известной молекулярной массой. Находят зависимость между элюционным объемом ( э) и молекулярной массой.
Чем меньше молекулярная масса, тем больше элюционный объем (т.е. объем растворителя, с которым белок выходил из колонки).
А
А
Э
эВ
В
эС
С
lg молекулярной массы
М.м.А
М.м.В
М.м.С
Через калиброванную колонку пропускают неизвестный белок, определяют его элюционный объем и по калибровочному графику определяют
молекулярную массу. В методе диск-электрофореза сравнивают не элюционные объемы, а электрофоретическую подвижность белков.
Физико-химические свойства белков
1. Амфотерность растворов белков.
БЕЛОК
(COOH)n
(NH2)m
Н2О
БЕЛОК
(ионизация в
растворе)
(СОО-)n
(NH3+)m
Н2О
+ОНБЕЛОК (анион)
+Н+
БЕЛОК (катион)
NH3 +
КАТОД
COOH
+
NH2
-
COO+
АНОД
Изоэлектрическая точка белков – значение рН, при котором заряд
белка равен нулю (Рi). Для нейтральных белков Рi лежит в слабокислой
50
среде, поскольку ионизация карбоксильных групп несколько выше, чем
аминных. Таких белков большинство, но есть пепсин с Рi = 1,0 или гистоны с Рi = 10,0.
2. Белки образуют коллоидные растворы (размеры частиц
0,1-0,001 мкм), для которых важны следующие характеристики: 1) низкое
осмотическое давление; 2) высокая вязкость; 3) низкая способность к диффузии. В лабораторной практике используют два свойства коллоидных
растворов белков: 1) нефелометрическое определение количества белка на
основе эффекта Тиндаля; 2) диализ – очистка белковых растворов от низкомолекулярных примесей с помощью полупроницаемых мембран.
Практическое значение амфотерности белков
1. В методе электрофореза белков сыворотки крови используют слабощелочные буферные растворы (т.е. рН>Рi), чаще рН=8,6. При этом белки заряжаются отрицательно и перемещаются к аноду. Если Рi альбуминов
= 4,9, а Рi -глобулинов = 6,6, то при рН 8,6 у альбуминов будет больший
отрицательный заряд и они быстрее будут перемещаться к аноду. Это позволяет разделить белки сыворотки крови по заряду (электрофоретической
подвижности): альбумины, 1-, 2-, -, -глобулины.
2. Осаждение белков из растворов. Белковая молекула в растворе
удерживается двумя факторами: 1) зарядом; 2) гидратной оболочкой. Снятие заряда осуществляется путем подведения рН к изоэлектрической точке. Снятие гидратной оболочки осуществляется водоотнимающими средствами (органические растворители, соли щелочноземельных металлов в
высокой концентрации), температурой и др. Для осаждения белка необходимо устранить оба фактора устойчивости белковой молекулы.
Первичная структура белков – последовательность аминокислот в
полипептидной цепи (или цепях) и положение дисульфидных связей (если
они есть).
Первичная струкR2
тура
стабиNH2 CH —CO NH— CH —CO NH —CH СOOH лизируется ковалентными связями: пептидной и в
R1
R3
некоторых пептидах может быть и дисульфидная. Разрушение ковалентных связей первичной структуры – гидролиз: 1) кислотный – в 6 N HСl и 100-110 С 24 ч; 2)
ферментативный – с помощью протеолитических ферментов в желудке
при рН 1,5-5,0, в двенадцатиперстной кишке – при рН 8,6.
Характеристика пептидной связи. Пептидная связь плоская (копланарная). Связь С-N напоминает двойную связь (вращение невозможно)
из-за р, - сопряжения (сопряжение свободной пары электронов атома азота с -электронами двойной связи С=О). Пептидная связь определяет остов
51
(хребет) первичной структуры белковой молекулы и придает ему жесткость.
Роль первичной структуры: 1) Последовательность аминокислот в
первичной структуре белка является специфической видовой характеристикой данного белка. 2) Первичная структура белка генетически детерминирована и воспроизводится в процессах транскрипции и трансляции. 3)
Первичная структура белка является основной для формирования последующих структур белка за счет взаимодействия радикалов аминокислотных остатков полипептидной цепи. 4) Замена аминокислоты L-ряда на
аминокислоту D-ряда или замена даже одной L-аминокислоты на другую
может привести к полному исчезновению биологической активности пептида.
Вторичная структура белка – регулярная организация полипептидной цепи, стабилизируемая водородными связями. Водородные связи образованы между NH- и CO-группами пептидных связей. Различают спираль, -структуру и неупорядоченную конформацию (клубок).
1) -спираль. Закручивание полипептидной цепи идет по часовой
стрелке (правый ход спирали), что обусловлено строением L-аминокислот.
На каждый виток (шаг) спирали приходится 3,6 аминокислотных остатка.
Шаг спирали равен 0,54 нм, на один аминокислотный остаток приходится
0,15 нм. Угол подъема спирали составляет 26 . Через каждые 5 витков
спирали (18 аминокислотных остатков) структура полипептидной цепи повторяется. Водородные связи параллельны оси спирали и возникают между каждым первым и каждым пятым аминокислотными остатками. Образованию -спирали препятствуют пролин и аминокислоты с объемными и
заряженными радикалами.
2) -структура. В фибриллярных белках две или более линейные полипептидные цепи, прочно связываются водородными связями, перпендикулярными оси молекулы (складчатый -слой). Ес\
/
ли межцепочечными водородными связями соединеN-H...О=С
ны две полипептидные цепи, идущие в одном на/
|
правлении от N- к C-концу, то это параллельная O=C
N-H структура. Если N- и С-концы цепей расположены
|
|
противоположно, то это антипараллельная
СН-R R-CH
структура. Если одна полипептидная цепь изгибается
|
|
и идет параллельно себе, то это антипараллельная H-N
C=O
кросс-структура. Места изгиба цепи определяются
\
|
про, гли, асн – -изгиб.
С=О...Н-N
3) Неупорядоченная конформация. Участки
/
\
белковой молекулы, которые не относятся к спиральным или складчатым структурам, называются
неупорядоченными. При графическом изображении
52
спиральные участки изображают цилиндром, а складчатые структуры –
стрелкой.
Третичная структура – конформация полипептидной цепи в целом
(т.е. расположение в трехмерном пространстве). Третичную структуру стабилизируют связи и взаимодействия между радикалами аминокислотных
остатков полипептидной цепи: ковалентная – дисульфидная связь, а также
водородная, ионная связи и гидрофобное взаимодействие. Виды третичной
структуры:
1) белки, в составе которых преобладают -спирализованные участки, имеют форму глобулы (глобулярные белки) и выполняют динамические функции.
2) Белки, в составе которых преобладают структуры складчатого слоя, имеют нитевидную (фибриллярные белки) форму и выполняют
структурные функции.
3) Особую структуру имеет коллаген – самый распространенный белок в мире животных (до 25% от всех белков организма). Молекула коллагена (тропоколлагена) построена из трех полипептидных цепей. Каждая
полипептидная цепь содержит около 1000 аминокислотных остатков (35%
– глицин, 21% – пролин и оксипролин, 11% – аланин). Каждая полипептидная цепь имеет конформацию плотной спирали (3 аминокислотных остатка на виток). В молекуле тропоколлагена все три спирали перевиты
друг с другом, образуя жгут. Между спиралями за счет пептидных групп
образуются водородные связи. Такое строение обеспечивает прочность
коллагеновых волокон.
Нативная структура белка. Многие белки в третичной структуре
имеют спирализованные, складчатые и неупорядоченные сегменты. При
этом в функциональном и структурном отношениях важно взаимное расположение аминокислотных радикалов. Употребляют следующие термины: 1) домены – анатомически выделяемые участки третичной структуры
белка, отвечающие за выполнение определенной функции белка. 2) Гидрофобные карманы – полости в третичной структуре, выстланные радикалами
гидрофобных аминокислот; служат для погружения в молекулу белка гидрофобных лигандов. 3) Гидрофобные кластеры – участки поверхности белка,
где сконцентрированы радикалы гидрофобных аминокислот; служат для
взаимодействия с гидрофобными кластерами других молекул. Для выполнения функции белок должен иметь определенную (и часто единственную)
третичную структуру (конформацию) – нативную структуру.
Денатурация белков – это разрушение третичной и частично вторичной структур путем разрыва дисульфидных и слабых нековалентных
взаимодействий (водородных, ионных, гидрофобных), сопровождаемое
потерей функции белка. Иными словами, денатурация – это потеря нативной структуры. При денатурации не разрываются пептидные связи, т.е.
первичная структура сохраняется. Денатурацию белков вызывают любые
53
агенты, действующие на нековалентные взаимодействия. При этом белок
выпадает в осадок, если теряются основные факторы устойчивости – заряд
и гидратная оболочка. Если после удаления денатурирующего агента восстанавливается нативная структура белковой молекулы, то это называется
ренатурация (ренативация). В пищеварительном тракте денатурация пищевых белков соляной кислотой приводит к доступности пептидных связей
для ферментативного гидролиза первичной структуры (пепсин в желудке;
трипсин; химотрипсин, карбоксипептидазы в 12-перстной кишке; дипептидазы, трипептидазы и аминопептидазы в тонком кишечнике).
Четвертичная структура белков – способ укладки в пространстве
нескольких полипептидных цепей, обладающих первичной, вторичной и
третичной структурами, с формированием единого макромолекулярного
образования для выполнения определенной функции. Четвертичной структурой обладают белки с молекулярной массой более 50000 Да. Для обозначения используют следующие термины: 1) протомер – отдельная полипептидная цепь в третичной структуре; 2) субъединица – протомер или объединение нескольких протомеров, способных выполнять часть функции
белка; 3) олигомер (мультимер) – сочетание протомеров или субъединиц в
четвертичной структуре белка, несущих полную функциональную активность белка. Протомеры связаны в мультимерном белке слабыми связями
(водородные, электростатические, гидрофобные взаимодействия) и не связаны ковалентными (пептидная, дисульфидная). При разрушении слабых
связей, стабилизирующих четвертичную структуру, происходит: 1) разделение субъединиц и протомеров и 2) потеря функции белка.
Если убрать денатурирующий агент, то возможно восстановление
слабых связей, а, следовательно, олигомерного белка и его функций.
Какое новое свойство придает белку наличие четвертичной
структуры? Рассмотрим два белка, способных связывать кислород:
1) миоглобин, который имеет третичную структуру (глобулу), способен запасать кислород (связывание О2 по гиперболической зависимости).
2) Гемоглобин, который имеет четвертичную структуру (4 субъединицы, каждая из которых напоминает глобулу миоглобина), способен как
связываться, так и транспортировать О2 (связывание О2 по сигмоидной или
S-образной зависимости – кооперативный эффект).
Миоглобин состоит из одной полипептидной цепи (153 остатка аминокислот) с молекулярной массой 17000 Да. По рентгеноструктурному
анализу молекула миоглобина является компактной сферической молекулой размером 4,5 3,5 2,5 нм. Примерно 75% остатков аминокислот образуют 8 правых -спиралей, содержащих от 7 до 20 остатков. Начиная с Nконца, спирали обозначают номером и буквой спирали. Плоскость гема
своей неполярной частью (метильные, винильные группы) погружена в
гидрофобный карман молекулы миоглобина. Среди гидрофобных аминокислотных остатков по обе стороны плоскости гема находится по одной
54
молекуле гистидина: проксимальный гис F8 и дистальный гис Е7 (за счет
сближения спиралей F и Е в пространстве). Пятая координационная связь
железа (Fe2+, ферро) занята азотом проксимального гис F8. Шестая координационная связь (координационное положение) остается свободной и
экранируется дистальным гис Е7. В неоксигенированном миоглобине атом
железа на 0,03 нм выступает из плоскости кольца в направлении гис F8.
При связывании молекулы О2 с шестой координационной связью железа
(оксигенированный миоглобин) атом железа втягивается в плоскость гема
и выступает из нее только на 0,01 нм. Таким образом, связывание О2 с молекулой миоглобина ведет: 1) к перемещению атома железа и 2) перемещающийся атом железа будет изменять положение проксимального гис F8,
а, следовательно, и конформацию -спирали F и всей глобулы миоглобина.
Для миоглобина (белок в третичной структуре) кривая связывания кислорода имеет форму гиперболы. Парциальное давление кислорода рО2 в ткани,
окружающей легочные капилляры, составляет 100 мм рт. ст. Поэтому миоглобин в легких мог бы весьма эффективно насыщаться кислородом. В венозной крови рО2 равно 40 мм рт. ст., а в активно работающей мышце –
около 20 мм рт. ст. Но даже при таком рО2 степень насыщения миоглобина
кислородом будет весьма высокой (около 80%) и поэтому миоглобин не
может отдавать кислород тканям. Однако при кислородном голодании
(тяжелая физическая работа) рО2 уменьшается до 5 мм рт. ст. и миоглобин
может отдавать связанный кислород.
Гемоглобин – олигомерный белок, который состоит из 4-х субъединиц. Например, Нв А1 состоит из 2 2. Субъединицы и в третичной
структуре весьма напоминают молекулу миоглобина. Каждая субъединица
гемоглобина может связать молекулу О2. При связывании первой молекулы О2 происходит втягивание атома железа в плоскость гема. Это ведет к
изменению положения проксимального гис F8 и конформации всей полипептидной цепи: поворот пары / на 15 . Такие изменения облегчают связывания второй молекулы О2. В итоге кривая связывания кислорода гемоглобина имеет S-образный вид. Такой тип зависимости определяется кооперативным (совместным) действием всех субъединиц в интересах всей
молекулы гемоглобина. Наличие кооперативного эффекта дает гемоглобину новое свойство транспорта газов: при 100 мм рт. ст. (в легких) молекула
гемоглобина полностью оксигенируется (получает 4 молекулы О2). Ниже
80 мм рт. ст. молекула гемоглобина отдает О2. Например, при рО2=20 мм
рт. ст. гемоглобин насыщен примерно на 20% кислородом, а миоглобин на
82%. Т.е. очевидно, что оксигемоглобин будет отдавать О2, а миоглобин
его связывать.
Количественное определение белков. Различают две группы методов: 1) определение количества белков в растворе на основе физикохимических свойств: биуретовый метод (основан на образовании окрашенного в фиолетовый цвет комплекса пептидных связей белка с ионами
55
двухвалентной меди в щелочной среде); рефрактометрический и нефелометрический методы; поглощение ультрафиолетового излучения (при 280
нм поглощают УФО остатки ароматических аминокислот; при 180-210 нм
– пептидная связь и ряд конформационных факторов). 2) Количественное
определение индивидуальных белков на основе их биологических свойств
(радиоиммунный, иммуноферментные методы).
Задача: в биологической жидкости имеется смесь белков (А+В+Х).
Необходимо определить количество белка Х. Здесь общее определение количества белка не годится. Для количественного определения индивидуального белка Х в смеси белков предложен радиоиммунный метод. Рассмотрим его суть. Первый этап: приготовление реагента для определения –
чистым препаратом белка Х, полученным заблаговременно, иммунизируют животное. Против этого белка в организме животного образуются антитела. Их выделяют из крови и метят 125I. Второй этап: анализируют
смесь белков, добавляя к ним меченое антитело в избытке:
(А+В+Х) + 125I-антитело (Х)
(А+В) + Х-125I-антитело (Х)
связь 1 моль белка
Х + 1 моль 125Iантитела (Х)
подсчет импульсов (125I)
Меченное антитело связывает из-за специфического взаимодействия
только белок Х. Этот комплекс выделяют, подсчитывают радиоактивность
и определяют количество метки. По количеству метки определяют количество антитела Х, т.е. искомого белка. Метод весьма чувствителен, поскольку основан на специфичности белков, т.е. специфическом комплементарном
взаимодействии индивидуальных белков.
Выделение индивидуального белка. Для выделения индивидуального белка из смеси белков с близкими физико-химическими свойствами
используют: 1) различия по молекулярной массе (методы ультрацентрифугирования и гельхроматографии); 2) различия в заряде (методы электрофореза и ионообменной хроматографии); 3) способность белков к специфическим взаимодействиям (аффинная хроматография).
Разделение по молекулярной массе. 1) Ультрацентрифугирование
позволяет получить в центрифужных пробирках, вращающихся со скоростью до 85000 об/мин ускорение силы тяжести 300000-500000 g, при этом
белки с разной молекулярной массой будут двигаться ко дну пробирки с
разной скоростью. На дно осядут самые тяжелые белки, затем средние и
легкие. 2) Гель-фильтрация осуществляется с помощью молекулярных сит,
например, сефадексов. Это нитевидные молекулы полисахарида декстрана,
сшитые через определенные промежутки поперечными связями и свернутые в гранулы. В зависимости от размеров пор выпускают ряд марок сефадексов: G-200; G-100; G-75 и др.
56
Разделение по заряду. 1) Электрофорез. Белки, имеющие разное количество ионогенных радикалов в полипептидной цепи имеют в растворе разные заряды, а поэтому в электрическом поле будут двигаться с разной скоростью. Обычно используют электрофорез в полиакриламидном геле. Перспективен метод изоэлектрического фокусирования. 2) Ионообменная хроматография заключается в ионном обмене между полимером, заполнившим колонку, и заряженным белком, пропускаемым через колонку.
Разделение на основе специфического связывания. Аффинная
хроматография, или хроматография по сродству. Метод основан на специфическом взаимодействии молекулы белка с определенным лигандом.
Готовят матрицу, с которой сшивают соединение (лиганд), обратимо и специфично связывающийся с искомым белком. Затем через колонку пропускают смесь белков. С лигандом матрицы свяжется только искомый белок за
счет специфического взаимодействия, а нейтральные белки будут удалены с
растворителем. Затем не представляет труда снять этот белок. Для этого через колонку пропускают раствор с высокой концентрацией свободного лиганда. Часто используют вариант свободного лиганда, имеющего более высокое сродство к белку, чем у фиксированного на матрице лиганда. Метод
используется для выделения ферментов.
ФЕРМЕНТЫ
Ферменты (энзимы) – биологические катализаторы белковой природы. Происхождение терминов: fermentatio (лат.) – брожение; enzyme (греч.)
– в дрожжах. Открытие ферментов было связано с процессами, идущими с
выделением газов (тесто, вино), а следовательно, это явление человек наблюдал и использовал тысячелетия.
Ферментативный катализ отличается от неорганического:
1) ферменты действуют в мягких условиях организма (Р, t , pH).
2) Белки-ферменты чувствительны к денатурирующим агентам.
3) Для действия ферментов характерна высокая эффективность.
4) Активность ферментов контролируется (генетически на уровне
строения и различными биорегуляторами).
5) В организме, как правило, действуют полиферментные (т.е. поликаталитические) системы, в результате чего достигается многоэтапное направленное превращение вещества с допустимыми для организма уровнями перепада энергии. Например: в пробирке Н2 + О2
Н2О + взрыв (гремучий газ); в организме та же реакция, но за счет разбивания ее на фазы
протекает без взрыва, а с запасанием энергии в виде АТФ.
6) Для действия ферментов характерна специфичность (четыре вида): а) абсолютная – фермент катализирует превращение строго определенного вещества (уреаза расщепляет только мочевину на СО2 и NH3); б)
относительная – фермент катализирует превращения одного типа связей в
57
ряду близких по химическому строению веществ. Например, липаза катализирует разрыв сложноэфирных связей (независимо от типа радикала); в)
групповая относительная (аналогичная пункту б)), но для разрыва связи
важны образующие ее атомные группировки. Все протеолитические ферменты расщепляют пептидные связи, но пепсин, трипсин, химотрипсин
расщепляют пептидные связи, образованные определенными аминокислотами; г) стереохимическая – фермент катализирует превращение только
одного стереоизомера при наличии рацемата (L-оксидазы превращают Lаминокислоты, но не D-аминокислоты).
Строение ферментов. По строению ферменты бывают простыми и
сложными белками. Для сложных белков-ферментов используют следующие обозначения: 1) апофермент – полипептидная часть молекулы фермента; 2) холофермент – прочный природный комплекс апофермента и небелковой части; 3) кофактор – небелковая часть сложного белка-фермента;
4) простетическая группа – прочно связанный с апоферментом кофактор
(металлы, гем и др.); 5) кофермент – легко отделяемый кофактор от апофермента (например, диализом) (витамины, нуклеотиды и др.). Апофермент всегда синтезируется в организме, кофакторы (витамины, металлы и
др.) должны поступать с пищей. Ферментативный катализ идет на поверхности фермента. Превращаемые вещества называются субстратами. Превращение субстрата происходит в области активного центра, который
сформирован в третичной структуре большинства ферментов. У простых
белков-ферментов активный центр образован сближенными в пространстве радикалами аминокислот первичной структуры. У сложных белковферментов здесь находятся кофакторы. В активном центре выделяют 2
части: якорная (радикалы аминокислот обеспечивают фиксацию субстрата)
и каталитическая (радикалы аминокислот и (или) кофакторы обеспечивают
катализ). У ряда регуляторных ферментов имеется еще один центр – аллостерический. Присоединение к этому центру низкомолекулярных веществ
(эффекторов) индуцирует изменение третичной структуры фермента, в том
числе и в области активного центра. Это и ведет к изменению каталитической активности фермента. Белки-ферменты с четвертичной структурой
могут катализировать одну и ту же реакцию, но несколько отличаться по
строению (т.е. первичной структуре) субъединиц. Если это закреплено генетически, то мы говорим об изоферментах. Например, фермент лактатдегидрогеназа состоит из 4-х субъединиц 2-х типов Н и М, где возможны 5
вариантов, т.е. изоферментов.
Механизмы действия ферментов. 1) По Фишеру: субстрат подходит к
ферменту (т.е. активному центру), как ключ к замку. 2) По Кошланду: субстрат
изменяет конформацию активного центра фермента, делая ее комплементарной
(индуцируемая адаптация фермента к субстрату; рука-перчатка).
58
1) Образование фермент-субстратного комплекса: E + S
ES быстрая стадия, соответствующая фиксации субстрата на якорном участке активного центра. Ферментативный катализ идет в 3 стадии:
k+1
k2
E+S
ES (EZ - EP) — E + P
k-1
Ускорение реакции достигается за счет сближения и правильной ориентации
субстратов относительно друг друга и увеличения их эффективной концентрации (поскольку в растворе их столкновения случайны). 2) ES EZ EP.
На стадии фермент-субстратного комплекса происходит химическая реакция через переходное состояние с образованием продукта реакции на поверхности фермента. Как правило, субстрат вступает во временные промежуточные реакции (взаимодействия) с определенными функциональными
группами активного центра, в результате чего реакция требует более низкой
энергии активации. 3) EP
E + P. Продукт отделяется, а фермент в неизменном виде может вновь вступать в катализ.
Факторы, влияющие на скорость ферментативных реакций.
1) Влияние концентрации субстрата. При увеличении концентрации субстрата и при постоянной концентрации фермента скорость реакции
вначале увеличивается линейно (реакция первого порядка), затем переходит в реакцию смешенного порядка и, достигнув Vmax, превращается в реакцию нулевого порядка.
По Михаэлису-Ментен скорость реакции описывается уравнением:
Vmax S р азделитьна S Vmax
k 1
, где K s
Ks
Ks S
k 1
1
S
(константа диссоциации комплекса ES равна отношению констант скоростей обратной и прямой реакции).
Это уравнение описывает участок реакции первого порядка. Для описания всей кривой Бриггс и Холдейн модифи- V Vmax ,
Km
цировали уравнение, где Km – константа Михаэлиса (это
1
S
такая концентрация субстрата, при которой
V = 1/2 Vmax). Величина Кm определяется графически по
кривой зависимости V от [S]: по оси ординат откладывают Vmax/2, опускают перпендикуляр на кривую и от точки пересечения опускают перпендикуляр на ось абсцисс. Отмеченный отрезок и есть Кm. Если Кm велика,
то это означает, что потребуется много субстрата для достижения Vmax/2
(сродство фермента к субстрату низкое, медленная скорость реакции).
Низкая величина Кm указывает, что для достижения половинной скорости
требуется мало субстрата (высокое сродство, высокая скорость реакции).
Для точного измерения величин Vmax и Km используют график прямой,
V
59
построенный на основании модифицированного уравнения Михаэлиса1
Km 1
1
Ментен (график Лайнуивера и Берка).
V Vmax S Vmax
2) Влияние концентрации фермента. При условии избытка субстрата скорость ферментативной реакции зависит от концентрации фермента. Эта зависимость подчиняется уравнению прямой: V = k [E], где [E]
– концентрация фермента.
3) Влияние температуры. Скорость химической реакции повышается в 2-4 раза при повышении температуры на 10 С. Однако из-за белковой
природы фермента повышение температуры приведет к тепловой денатурации молекул фермента. Поэтому оптимум температуры для ферментов
растений при 45-50 С, а для ферментов теплокровных – 37 C. Есть исключения: миокиназа мышц выдерживает температуру 100 C.
4) Влияние рН среды. Ферменты, подобно всем белковым молекулам, несут заряженные группы. Общий заряд белковой молекулы зависит
от рН среды. Зависимость скорости ферментативной реакции от величины
рН носит колоколообразный характер. Большинство ферментов проявляют
максимальную активность в узком диапазоне рН – оптимум рН. Для большинства ферментов оптимум рН 7,4; однако для пепсина – 1-1,5; для
трипсина – 8,6.
5) Активаторы ферментов – это вещества: 1) формирующие активный центр фермента (Co2+,Mg2+, Zn2+, Fe2+, Са2+); 2) облегчающие образование фермент-субстратного комплекса (Мg2+); 3) восстанавливающие SHгруппы (глутатион, цистеин, меркаптоэтанол); 4) стабилизирующие нативную структуру белка-фермента. Активируют ферментативные реакции
обычно катионы (в таблице Менделеева – с 19 по 30). Анионы менее активны, хотя ионы хлора и анионы некоторых других галогенов могут активировать пепсин, амилазу, аденилатциклазу. Активаторами могут быть
белки: апопротеин А-I (ЛХАТ), апопротеин С-II (ЛПЛ).
6. Ингибиторы ферментов – это соединения, которые взаимодействуя с ферментом, препятствуют образованию нормального ферментсубстратного комплекса, уменьшая тем самым скорость реакции или прекращая ее. Ингибиторы делятся на две группы: 1) неспецифические, вызывающие денатурацию белка-фермента (соли тяжелых металлов, кислоты, щелочи и др.). Их действие не связано с механизмами ферментативного катализа. 2) Специфические, действие которых связано с механизмами
ферментативного катализа. По типу ингибирования различают необратимое и обратимое ингибирование. При необратимом ингибировании происходит непрерывная модификация молекул фермента, в результате чего
фермент частично или полностью теряет свою активность. Сюда относят
ингибиторы, которые прочно и необратимо связывают функциональные
60
группы активного центра или стойко изменяют валентность металла в активном центре: 1) ингибиторы металлосодержащих ферментов (HCN,
KCN, CO, NaN3) – дыхательные яды, т.к. стойко меняют валентность Fe и
Cu, препятствуя переносу электронов; 2) вещества, связывающие SHгруппы (монойодацетат, соединения ртути и мышьяка); 3) вещества, связывающие ОН-группы серина в активном центре (фосфорорганические соединения, например, диизопропилфторфосфат).
Обратимое ингибирование поддается количественному изучению
на основе кинетики Михаэлиса-Ментен. Обратимые ингибиторы делят на
конкурентные и неконкурентные.
Конкурентный ингибитор – это молекула, настолько похожая по
своей структуре на молекулу субстрата, что фермент не может Истинный субстрат Антиметаболит
урацил
5-фторурацил
различить их. В результате свяаденин
2-аминоаденин
зывания конкурентного ингибипурин
6-меркаптопурин
тора с активным центром ферПАБК
сульфаниламид
мента падает концентрация истинных фермент-субстратных комплексов и скорость реакции. Ингибитор в
продукт не превращается. Конкурентные ингибиторы увеличивают Кm реакции, но не влияют на Vmax. Роль ингибитора, поскольку он конкурирует с
субстратом за активный центр, сводится фактически к «разбавлению» субстрата. Следовательно, для достижения скорости реакции, равной половине
Vmax, требуется теперь большая концентрация субстрата. Так как путем
увеличения количества субстрата можно нейтрализовать действие ингибитора, Vmax не меняется.
Неконкурентный ингибитор – это молекула, связывающаяся не с
активным центром фермента. Обратимые неконкурентные ингибиторы понижают Vmax, но поскольку ингибиторы этого типа не мешают связыванию субстрата с активным центром фермента, величина Кm не меняется.
Механизм ингибирования состоит в снижении скорости, с которой субстрат в составе фермент-субстратного комплекса превращается в продукт.
Поэтому при неконкурентном ингибировании уменьшается лишь величина
Vmax.
Для реабилитационной практики важно представление об антиметаболитах, которые являются конкурентными ингибиторами природных субстратов (точнее, ферментов, превращающих эти субстраты). Сульфаниламидные препараты вытесняют парааминобензойную кислоту из ферментсубстратного комплекса, что тормозит образование фолиевой кислоты и
подавляет жизнедеятельность бактерий.
Регуляция активности ферментов. Рассмотрим 5 наиболее важных
путей регуляции:
1. Активация профермента путем отщепления части полипептидной цепи с образованием активного центра фермента. Этот путь характе61
рен для агрессивных ферментов, например, протеиназ поджелудочной железы. Они вырабатываются в pancreas в виде неактивных проферментов,
что исключает самопереваривание. Активация их происходит в кишечнике
под действием активных протеиназ. Например, в pancreas вырабатываются
химотрипсиноген (245 аминокислоты), в кишечнике под действием трипсина последовательно отщепляются 2 дипептида (сep14-арг15) и (три147асн148) и образуются три полипептидные цепи, соединенные между собой
пятью дисульфидными мостиками. Это меняет конформацию молекулы и
формирует ее активный центр, в состав которого входит сер 195, гис57 и
асп102.
2. Химическая модификация – это ковалентное присоединение или
отщепление от фермента небольшой химической группы, регулирующей
его активность. С помощью таких модификаций обычно неактивная форма
фермента становится активной, либо полностью активный фермент инактивируется. Например, гликогенсинтаза из клеток млекопитающих превращает глюкозу в гликоген. Она инактивируется после ковалентного присоединения фосфатной группы к боковой цепи одного из сериновых остатков и
снова активируется при отщеплении фосфата. Так как присоединение и отщепление Рн происходит разными способами и катализируется двумя разными ферментами, то процесс обратим не в химическом, а в функциональном смысле.
3. Кооперативные эффекты характерны для мультимерных белков,
в том числе и для ферментов. Если имеет место кооперативный эффект, то
кинетические свойства фермента уже не описываются уравнением Михаэлиса-Ментен, а график – S-образная кривая, а не гипербола.
4. Аллостерическая регуляция представляет собой механизм, когда
эффекторы связываются с ферментом в области аллостерического центра
(сравните действие неконкурентных ингибиторов, действующих вне зоны
активного центра). Подобная регуляция может быть гомотропной, когда
молекула субстрата, взаимодействуя с ферментом, изменяет его сродство к
молекулам того же субстрата; гетеротропной, когда сродство к субстрату
изменяется при взаимодействии фермента с молекулой, не похожей на
субстрат. Гомотропные и гетеротропные эффекторы могут быть активаторами и ингибиторами.
5. Регуляция по типу обратной связи. Ингибирование по типу отрицательной обратной связи характерно для ферментных систем, в которых субстрат претерпевает несколько последовательных превращений.
При этом каждая реакция катализируется своим ферментом.
Ингибирование имеет место, если конечный продукт Z блокирует одну из
Е1
Е2
Ех
Еn
первых реакций. Продукт должен быть
А— В ... Y— Z
похож на первый субстрат (действует как
Ретроингибирование
конкурентный ингибитор, растет Кm), ли62
бо связываться вне зоны активного центра первого фермента (действует как неконкурентный ингибитор, падает Vmax).
Аллостерическая активация (активация предшественником). Накопление субстрата стимулирует его распад (часто по типу положительного
кооперативного эффекта на уровне первого или последнего ферментов).
Определение ферментов при реабилитации.
1. Энзимодиагностика – исследование ферментов в биологических
средах организма с диагностической целью. Условно выделяют четыре
группы индикаторных ферментов:
1. Ферменты, широко представленные в различных органах и тканях.
Это ферменты основных метаболических процессов, без которых жизнь
клетки невозможна (обмен белков, углеводов, липидов). При повреждении
мембран клеток и гистогематических барьеров эти ферменты появляются в
крови или повышается их количество. Определение повышенного количества этих ферментов в крови не позволяет локализовать патологический
процесс.
2. Органоспецифические ферменты преимущественно локализованы
в определенных органах. Как правило, эти ферменты катализируют реакции, обеспечивающие специфические функции органа. В клетках других
органов этих ферментов нет или находят следы. Выход органоспецифических ферментов в кровь сигнализирует о поражении определенного органа.
3. Изоферменты – группа или семейство ферментов, катализирующих
одну и ту же реакцию, но из-за разного субъединичного строения отличающихся по ряду физико-химических свойств. Например, лактатдегидрогеназа в сыворотке крови представлена пятью изоформами, каждая из которых состоит из 4-х
субъединиц двух типов Н-тип (оr heart – сердце) и М-тип (or muscle – мускулы).
Возможны 5 сочетаний: НННН; НННМ; ННММ; НМММ; ММММ. Поскольку
Н-протомеры несут больший отрицательный заряд в щелочной среде, чем Мпротомеры, можно изоферменты разделить в электрическом поле методом
электрофореза. ЛДГ1 (НННН) характерна для сердечно-сосудистой мышцы, а
ЛДГ5 (ММММ) – для мышц скелета и печени. Отсюда следует диагностическое
значение определения изоферментов.
4. Ферменты, локализованные в органеллах клеток (окислительновосстановительные в митохондриях; кислые гидролазы в лизосомах и др.),
выходя в кровь, сигнализируют о глубоком поражении клетки.
2. Наследственные энзимопатии. Ряд пороков обмена веществ является результатом наследственного дефицита определенных ферментов. В
этом случае диагноз ставится, главным образом, на основе исследования
показателей обмена этих ферментативных реакций (биохимический диагноз).
3. Энзимотерапия – использование ферментов и метаболитов в качестве лечебных средств: 1) заместительная терапия – желудочный сок, пепсин и
др.; 2) очистка ран, воздействие на избыточно разрастающуюся соединитель63
ную ткань (гиалуронидаза, протеиназы, нуклеазы и др.); 3) использование регуляторов (активаторов и ингибиторов) ферментов, например, ингибиторов моноаминооксидазы при нервных и психических заболеваниях (трасилола, трипсина и др.); 4) иммобилизованные ферменты – это ферменты, связанные с твердым носителем или спрятанные в полимерную капсулу. При введении в кровь
такие ферменты не разрушаются, а, накопившись в патологическом очаге (например, у тромба), оказывают эффект. Наиболее эффективны капсулы из липидов – липосомы. Ферменты внутри липосом транспортируются через клеточные мембраны и оказывают действие в клетке (лечебно-профилактические
кремы).
Классификация ферментов. Ранее ферменты назывались по наименованию субстрата с добавлением -аза (amylon – амилаза, lipоs – липаза,
protein – протеиназа). Позже, ферменты, катализирующие сходные реакции, получили название по типу реакции: дегидрогеназы, оксидазы, декарбоксилазы и др. Международный Совет Биохимиков (IUB) предложил положить в основу наименования и классификации ферментов тип химической реакции и ее механизм:
1. Реакции и ферменты, их катализирующие, делятся на 6 классов,
каждый из которых состоит из 4-13 подклассов: оксидоредуктазы, трансферазы, гидролазы, лиазы, изомеразы, лигазы (синтетазы).
2. Наименование фермента имеет 2 части. Первая – наименование
субстрата или субстратов. Вторая, оканчивающаяся на -аза, показывает тип
катализируемой реакции.
3. Дополнительная информация, например, малатдегидрогеназа (декарбоксилирующая): L-малат +НАД+ пируват + СО2 + НАДН + Н+.
4. Каждый фермент по классификации ферментов (КФ, ЕС) обозначается четырьмя цифрами: 1-класс, 2-подкласс, 3-подподкласс, 4-номер
фермента в списке. Так, КФ 2.7.1.1. означает: класс 2 – трансферазы; подкласс 7 – перенос фосфата; подподкласс 1 – алкогольная группа – акцептор
фосфата. Конечное название – гексокиназа, или АТФ:D-гексоза-6фосфотрансфераза, фермент, катализирующий перенос фосфата с АТФ на
гидроксильную группу у 6 углеродного атома глюкозы.
Единицы измерения активности и количества ферментов. Для
выражения концентрации фермента рекомендуется стандартная единица
(Е). 1. За единицу любого фермента принимается то количество его, которое в оптимальных условиях катализирует превращение 1 мкмоль субстрата в минуту (мкмоль/мин). Для выражения активности фермента пользуются удельной и молекулярной активностями. 2. Удельную активность
фермента принято выражать числом единиц ферментативной активности
на 1 мг белка. 3. Число молекул субстрата, подвергающихся превращению
одной молекулой фермента в минуту, принято называть числом оборотов
или молекулярной активностью. 4. Предложено новое определение международной единицы фермента – катал (кат), соответствующее количеству
64
фермента, способному вызывать превращение 1 моль субстрата в продукт
в 1 сек. (1 моль/с). 1 Е = 16,67 нкат. Удельная активность кат/кг активного
белка. Рекомендуется проведение измерений единиц фермента при 25 С,
оптимуме рН и концентрации субстрата, превышающей концентрацию насыщения. В этом случае скорость соответствует нулевому порядку реакции в
отношении субстрата и будет зависеть только от концентрации фермента.
Катаболизм и анаболизм. Основные конечные продукты метаболизма. В наиболее употребительном значении термин «метаболизм» равнозначен «обмену веществ». В точном смысле «метаболизм» означает
промежуточный обмен, т.е. превращение веществ внутри клеток с момента
их поступления до образования конечных продуктов. Метаболизм складывается из двух фаз – катаболизма и анаболизма.
Катаболизм – это ферментативное расщепление крупных пищевых
или депонированных молекул до более мелких с выделением энергии и запасанием ее в виде макроэргических соединений. Катаболизм идет в 3 стадии. Первая стадия – полимеры превращаются в мономеры (крахмал и
гликоген – в глюкозу, белки – в аминокислоты, триацилглицерины – в
жирные кислоты и др.). Вторая стадия (специфические пути катаболизма)
– мономеры превращаются в общие продукты, чаще всего, в ацетил-КоА.
Третья стадия (общий путь катаболизма) – окисление ацетил-КоА до СО2 и
Н2О в реакциях цикла трикарбоновых кислот. Окислительные реакции общего пути катаболизма (ЦТК) сопряжены с цепями переноса электронов.
При этом энергия (~ 40%) запасается в макроэргических связях АТФ
(НАДФН ).
Анаболизм – ферментативный синтез крупных полимерных молекул
из простых предшественников с затратой энергии. Идет в 3 стадии, причем
третья стадия катаболизма является первой стадией анаболизма. Анаболизм и катаболизм не являются простым обращением реакций. Анаболические пути должны отличаться от путей катаболизма хотя бы одной из ферментативных реакций, чтобы регулироваться независимо. Например, специфический путь распада глюкозы до лактата (гликолиз) включает 11 реакций; синтез глюкозы из лактата включает 8 обратимых реакций распада
глюкозы и 3 дополнительных реакции с новым набором ферментов. Именно на этих стадиях за счет регуляции активности ферментов регулируются
суммарные скорости распада и синтеза глюкозы. Кроме того, реакции катаболизма и анаболизма часто разделены мембранами и протекают в разных отсеках (компартментах) клеток. Например, распад жирных кислот
идет в митохондриях, а их синтез в цитозоле. Конечные продукты метаболизма: Н2О, СО2, NН3.
65
ПИЩЕВАРЕНИЕ
Введение в биохимию пищеварения. Состав пищи человека. Человек является гетеротрофом, т.е. получает питательные вещества и энергию извне в виде органических соединений.
Пища
Основные компоненты
Минорные компоненты
Белки Липиды Углеводы Витамины Элементы Прочие
Незаменимые аминокислоты (лей, илей, лиз, мет, фен, три, тре, вал;
для детей – арг, гис) определяют биологическую ценность белка. Полный
набор аминокислот характерен для животных белков. Незаменимыми являются жирные кислоты с двумя и более ненасыщенными связями (линолевая, линоленовая, арахидоновая). Они содержатся в растительных маслах. Незаменимы витамины. Исключения: потребность в холине удовлетворяется при поступлении метионина; ниацина-(РР) - триптофана пищи;
витамин D образуется в коже при действии УФЛ. Необходимо поступление ряда элементов. Так при недостатке в пище и воде I и F возникают региональные патологии.
Основные компоненты
Белки
Жиры
Энергетическая
ценность
100 г
100 г
1г = 4,1
1 г масла =
ккал
9,3 ккал (39,0
(17,1 кДж)
кДж)
Биологическая
ценность
50% животные белки,
т.к. в них
есть незаменимые
аминокислоты
25% растительные масла, т.к. в них
есть полиненасыщенные
жирные
кислоты
Углеводы
400 г
1г = 4,1 ккал
(17,1 кДж)
1 г спирта =
7,1 ккал
(29,7 кДж)
Клетчатка
(30 г/сутки)
Витамины,
элементы
Витамины,
элементы
(F, I и др.)
Выделяют следующие основные принципы питания спортсменов (по
В.А.Рогозкину):
- Снабжение организма необходимым количеством энергии, соответствующим
ее расходу в процессе выполнения физических нагрузок.
- Соблюдение сбалансированности питания применительно к определенным видам спорта и интенсивности физических нагрузок.
66
- Выбор адекватных форм питания (продуктов, пищевых веществ и их комбинаций) в период интенсивных и длительных нагрузок, непосредственной подготовки к
соревнованиям, самих соревнований и последующего восстановления.
- Использование пищевых веществ для активации и регуляции внутриклеточных
метаболических процессов в различных органах и тканях.
- Создание с помощью пищевых веществ необходимого метаболического фонда
для биосинтеза и реализации действия гормонов, регулирующих ключевые реакции метаболизма.
- Разнообразие пищи за счет использования широкого ассортимента продуктов и
применения разных приемов их кулинарной обработки для оптимального обеспечения
организма всеми необходимыми пищевыми веществами.
- Включение в рационы биологически полноценных и быстропереваривающихся
продуктов и блюд, не обременяющих пищеварительный тракт.
- Использование пищевых факторов для повышения скорости наращивания мышечной массы и увеличения силы, а также для регулирования массы тела в зависимости от весовой категории спортсмена.
- Индивидуализация питания в зависимости от антропометрических, физиологических и метаболических характеристик спортсмена, состояния его пищеварительной
системы, личных вкусов и привычек.
В основе построения суточного рациона питания спортсменов лежит формула
сбалансированного питания (по А.А.Покровскому).
Пищевые вещества
Дневная по- Пищевые вещества
Дневная потребность
требность
Вода, в том числе:
1750-2200 г
фосфолипиды
5г
питьевая (вода, чай, ко- 800-1000 г
Минеральные вещестфе)
ва:
в супах
250-500 г
кальций
800-1000 мг
в продуктах питания
700 г
фосфор
1000-1500 мг
Белки, в том числе:
80-100 г
натрий
4000-6000 мг
животные
50 г
калий
2500-5000 мг
Незаменимые
аминохлориды
5000-7000 мг
кислоты:
триптофан
1г
магний
300-500 мг
лейцин
4-6 г
железо
15 мг
изолейцин
3-4 г
цинк
10-16 мг
валин
3-4 г
марганец
5-10 мг
треонин
2-3 г
хром
0,02-0,5 мг
лизин
3-5 г
медь
2 мг
метионин
2-4 г
кобальт
0,1-0,2 мг
фенилаланин
2-4 г
молибден
0,5 мг
Заменимые аминокислоселен
0,5 мг
ты:
гистидин
1,5-2 г
фториды
0,5-1,0 мг
аргинин
5-6 г
йодиды
0,1-0,2 мг
цистеин
2-3 г
Витамины:
тирозин
3-4 г
С
50-70 мг
аланин
3г
В1
1,5-2,0 мг
серин
3г
В2
2,0-2,5
глутаминовая кислота
16 г
В5
12-25 мг
67
Пищевые вещества
аспарагиновая кислота
пролин
глицин
Дневная по- Пищевые вещества
требность
6г
В3
5г
В6
3г
В12
Углеводы, в том числе:
крахмал
сахар
400-500 г
400-450 г
50-100 г
биотин (Н)
холин
D
Органические кислоты
клетчатка
Жиры, в том числе:
растительные
Линолевая, линоленовая
жирные кислоты
холестерин
2г
25-30 г
80-100 г
20-25 г
А
Е
К
липоевая кислота
инозит
2-6 г
0,3-0,6 г
Общая калорийность
Дневная потребность
5-10 мг
2-3 мг
0,002-0,005
мг
0,12-0,30 мг
500-1000 мг
0?0025-0?01
мг
1,5-2,5 мг
10-20 мг
1-3 мг
0,5 мг
0,5-1,0 мг
3000 ккал
12540 кДж
Регуляция пищеварения. Осуществляется рефлекторно. На молекулярном уровне регуляция осуществляется гормоноподобными веществами,
которые вырабатываются в одних отделах, а действуют через кровь на другие отделы. Выделение регуляторов происходит под действием пищи и определяется ее составом. При поступлении пищи в желудок выделяются гистамин и гастрин, которые обеспечивают секрецию HCl и пепсиногена. Место образования – слизистая желудка; место действия – обкладочные и
главные клетки желудка (клетки-мишени). Переход желудочного содержимого в двенадцатиперстную кишку служит сигналом к выделению энтерогастрона. Место образования – слизистая двенадцатиперстной кишки; место
действия – слизистая желудка. Тормозит секрецию HCl и пепсиногена в желудке. Поступление пищи в кишечник (кислый химус) способствует выделению комплекса регуляторов из слизистой кишечника: секретин действует
на поджелудочную железу и стимулирует выделение жидкой части панкреатического сока, богатого бикарбонатами, Н2О, но не ферментами; стимулирует желчеобразование в печени; холецистокинин (панкреозимин) действует на поджелудочную железу и желчный пузырь. Стимулирует выделение панкреатического сока, богатого ферментами, и сокращение желчного
пузыря; химоденин действует на поджелудочную железу. Стимулирует секрецию белков и особенно резко химотрипсиногена, но не других ферментов;
энтерокринин действует на слизистую кишечника и стимулирует секрецию
желез кишечника; вилликинин действует на ворсинки слизистой кишечника
и стимулирует движение ворсинок кишечника (и тем самым продвижение
пищи). Таким образом достигается последовательная регуляция пищеварения по отделам пищеварительного тракта.
Всасывание продуктов пищеварения. Всасывание продуктов переваривания и компонентов пищи в желудке незначительно (за исключением
68
этанола). Более 90% продуктов переваривания всасывается в тонком кишечнике. Большая часть воды всасывается в толстом кишечнике. Механизмы трансмембранного переноса веществ в кишечнике зависят от растворимости их и градиента концентрации. Водонерастворимые продукты
переваривания жиров переносятся через клеточные мембраны эпителия
кишечника в составе мицелл. Водорастворимые – с помощью специальных
транспортных систем, о которых пойдет речь в специальных разделах курса. Существует два пути поступления продуктов переваривания пищи во
внутреннюю среду организма: водорастворимые компоненты поступают в
печеночную портальную систему и в печень; жирорастворимые вещества
поступают в лимфатические сосуды и затем в кровь через грудной лимфатический проток.
Питание и работоспособность. Потребность спортсмена в энергии
и пищевых веществах зависит от вида спорта и объема выполняемой работы, а также от уровня спортивного мастерства, эмоционального состояния
и особенностей личности. Примерная шкала суточных энерготрат в зависимости от вида спорта: 1) малые физические нагрузки (шахматы) 28003200 ккал для мужчин и 2600-3000 ккал для женщин; 2) кратковременные,
но интенсивные физические нагрузки (акробатика, гимнастика, фигурное
катание, тяжелая атлетика и др.) для мужчин 3500-4000 ккал и для женщин
3000-4000 ккал; 3) интенсивные нагрузки средней продолжительности (бег
на 400 м и 1500 м, бокс, борьба, плавание, многоборье, спортивные игры)
для мужчин 4500-5500 ккал, для женщин 4000-5000 ккал; 4) длительная
интенсивная нагрузка (бег на 10000 м, марафон, велогонки на шоссе, гребля, лыжные гонки, конькобежный спорт) для мужчин 5500-6500 ккал, для
женщин 6000 ккал в сутки (для перевода ккал в кДж следует 4,18). Согласно формуле сбалансированного питания спортсмена соотношение белки:жиры:углеводы = 14:30:56. При калорийности рациона 4000 ккал на долю белков должно приходиться 137 г (560 ккал), на долю жиров 130 г
(1200 ккал) и на долю углеводов – 546 г (2240 ккал). В зависимости от вида
спорта суточная потребность составляет: для белков 1,5-2,8 г/кг массы тела, полиненасыщенных жирных кислот 1,7-2,4 г/кг, углеводах 8,3-14,3 г/кг;
на каждые 1000 ккал требуется витамина С – 35 мг, В1 и В2 – 0,8 мг, Е – 5
мг, железа 7-8 мг (витамин С улучшает всасывание железа).
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН
Аккумуляторы энергии в организме, макроэргические соединения.
В ходе экзергонических реакций (например, окислительных) выделяется энергия. Примерно 50% ее запасается в специальных аккумуляторах.
Выделяют 3 основных аккумулятора энергии:
69
1. Внутренняя мембрана митохондрий – это промежуточный аккумулятор энергии при получении АТФ. За счет энергии окисления веществ
происходит выталкивание протонов из матрикса в межмембранное пространство митохондрий. В результате создается электрохимический потенциал. При разрядке мембраны энергия электрохимического потенциала
трансформируется в энергию АТФ: ЕОКИСЛ.
ЕЭХП
ЕАТФ. Для реализации этого механизма внутренняя мембрана митохондрий содержит ферментативную цепь переноса электронов на кислород и аденозинтрифосфатазу (протонзависимую синтазу АТФ).
2. АТФ и другие макроэргические соединения. Материальным носителем свободной энергии в органических веществах являются химические
связи между атомами. Обычным энергетическим уровнем возникновения
или распада химической связи является ~ 12.5 кДж/моль. Однако имеется
ряд молекул, при гидролизе ангидридных и сложноэфирных связей которых
выделяется более 21 кДж/моль энергии: центральное место в энергетическом обмене занимает цикл АТФ
АДФ + Рн. АТФ – универсальный аккумулятор энергии. В клетках теплокровных АТФ возникает двумя путями:
1) аккумулирует энергию более энергоемких соединений, стоящих
выше АТФ в термодинамической шкале без участия О2 – субстратное
фосфорилирование: S Р + АДФ S + АТФ;
2) аккумулирует энергию электрохимического потенциала при разрядке внутренней мембраны митохондрии – окислительное фосфорилирование (Еокисл.
ЕЭХП
ЕАТФ). В клетке АТФ выполняет свою биологическую роль в виде комплекса с ионами Mg2+ или Mn2+. Это повышает
энергию гидролиза макроэргической связи АТФ до 52,5 кДж/моль. АТФ –
универсальный источник энергии для совершения основных видов работы
клетки. Высвобождение энергии идет двумя путями: 1) АТФ + Н2О
АДФ + Рн + Н+(- G = -30,2 кДж/моль); 2) АTФ + Н2О
АМФ + РРн +
+
Н (- G=-30,2 кДж/моль). Во время интенсивных упражнений скорость использования АТФ может достигать 0,5 кг/мин. Если ферментативная реакция термодинамически невыгодна, то она может осуществиться при сопряжении с реакцией гидролиза АТФ. Гидролиз молекулы АТФ изменяет равновесное отношение субстратов и продуктов в сопряженной реакции в 108
раз. К макроэргическим соединениям относят также нуклеозидтрифосфаты,
которые обеспечивают энергией ряд биосинтезов: УТФ – углеводов; ЦТФ –
липидов; ГТФ – белков. В биоэнергетике мышц важное место занимает
креатинфосфат.
3. НАДФН+Н+ (НАДФН2) – никотинамидадениндинуклеотидфосфат
восстановленный. Это специальный аккумулятор с высокой энергией, который используется в клетке (цитозоль) для биосинтезов. R-CH3 +
НАДФН2 + О2
R-CH2ОН + Н2О + НАДФ+ (здесь показано введение ОНгруппы в молекулу).
70
Строение митохондрий.
1. Внешняя мембрана МХ отграничивает внутреннее пространство;
проницаема для О2 и ряда низкомолекулярных веществ. Содержит ферменты метаболизма липидов и моноаминов.
2. Межмембранное пространство содержит аденилаткиназу (АТФ +
АМФ
2 АДФ) и ферменты фосфорилирования АДФ, не связанные с дыхательными цепями.
3. Внутренняя мембрана: 20-25% от всех белков составляют ферменты цепей переноса протонов и электронов и окислительного фосфорилирования. Проницаема лишь для малых молекул (О2, мочевина) и содержит
специфические трансмембранные переносчики.
4. Матрикс содержит ферменты цикла трикарбоновых кислот, окисления жирных кислот (основные поставщики субстратов окисления).
Здесь находят ферменты автономного митохондриального синтеза ДНК,
РНК, белков и др.
Пути потребления кислорода (биологическое окисление). Вещество
окисляется, если теряет электроны или одновременно электроны и протоны
(водородные атомы, дегидрирование) или присоединяет кислород. Противоположные превращения – восстановление. Способность молекул отдавать
электроны другой молекуле определяется окислительно-восстановительным
потенциалом (редокс-потенциалом). Редокс-потенциал определяют путем измерения электродвижущей силы в вольтах. В качестве стандарта принят редокс-потенциал реакции: Н2 2Н+ + 2е-. ОВП = - 0,42В. Чем меньше потенциал окислительно-восстановительной системы, тем легче она отдает электроны
и в большей степени является восстановителем. Чем выше потенциал системы,
тем сильнее выражены ее окислительные свойства, т.е. способность принимать
электроны присуща только молекулам с более высоким редокс-потенциалом.
Это правило лежит в основе последовательности расположения промежуточных переносчиков электронов от водородов субстратов до кислорода.
Типы окисляемых субстратов. Субстраты окисления – это молекулы, которые при окислении дегидрируются (теряют 2 Н). Различают 3 вида
субстратов:
1. Субстраты I рода (углеводородные) – сукцинат, ацил-КоА. Средняя энергия отщепления пары е около 150 кДж/моль. Это меньше, чем
энергия е в НАДН, поэтому НАДН не может участвовать в дегидрировании этих субстратов.
2. Субстраты II рода (спиртовые). При их дегидрировании возникают
кетоны. Средняя энергия отщепления пары е около 200 кДж/моль, поэтому НАД может участвовать в дегидрировании субстратов II рода.
3. Субстраты III рода (альдегидные). Энергия отщепления пары е
около 250 кДж/моль. Дегидрогеназы субстратов III рода часто содержат
71
несколько коферментов. При этом часть энергии запасается до цепи переноса электронов.
В зависимости от типа субстрата окисления (т.е. от энергии отщепления пары е ) выделяют полную и укороченную дыхательные цепи (цепи
переноса электронов, ЦПЭ). ЦПЭ – это универсальный конвейер по переносу протонов и электронов от субстратов окисления к кислороду. В полную ЦПЭ вступают субстраты II и III рода; в укороченную – I рода. ЦПЭ
встроены во внутреннюю мембрану митохондрий.
Полная дыхательная цепь (ЦПЭ).
1) Субстраты II и III родов передают протоны и электроны (т.е. дегидрируются) на кофермент НАД пиридинзависимых дегидрогеназ. Эти ферменты локализованы в матриксе митохондрий. Их специфичность определяет
апофермент. Кофермент НАД не связан прочно с дегидрогеназой и после реакции дегидрирования субстрата свободно диффундирует к внутренней мембране митохондрий. 2) НАДН-дегидрогеназа локализована во внутренней
мембране митохондрий (пересекает ее поперек). Имеет две простетические
группы – ФМН и FeS-белки. В переносе двух атомов водорода участвует 6,7диметилизоаллоксазин (1 и 10 атомы N) ФМН. Далее FeS-белки забирают 2 е
, а оставшиеся 2Н+ выталкиваются в межмембранное пространство и «ждут»
момента, когда 2е зарядят атом кислорода отрицательно, иными словами, на
стадии НАДН-дегидрогеназы разделяются потоки протонов и электронов. 3)
Два е передаются убихинону (КоQ). В тканях человека присутствует КоQ10,
т.к. имеет боковую цепь из 10 изопреновых единиц. КоQ может передвигаться в липидной фазе мембраны и передавать 1е или 2е- на цепи цитохромов.
До КоQ был двухэлектронный перенос; после КоQ – одноэлектронный. 4)
Каждая молекула восстановленного КоQ передает электрон на цепь цитохромов. (Следовательно, далее должны участвовать по 2 цепи цитохромов).
Цитохромы располагаются в соответствии с их редокс-потенциалом.
Цитохромы – это гемсодержащие ферменты. В качестве простетической группы содержат гем и гемоподобные структуры. Гем – производные
протопорфирина IX. Гем гемоглобина и гем цитохрома b совпадают по
строению. При переносе электрона валентность атома железа меняется: Fe3+
Fe2+. K 6-й координационной связи железа цитохрома а может присоединиться HCN, H2S, CO. При этом валентность железа (Fe3+) становится постоянной и поток электронов прекращается. Это механизм действия дыхательных ядов. Комплекс цитохромов а+а3 называют цитохромоксидазой (6 субъединиц, из них 2 – цит. а и 4 – цит. а3). В цитохроме а3 имеются атомы Cu.
Электроны принимаются субъединицами цитохрома а, и передаются цитохрому а3, который передает их на кислород. Этот перенос сопровождается
сменой валентности меди Cu2+ Cu1+. Атом кислорода заряжается отрицательно и приобретает способность взаимодействовать с протонами и образовывать Н2О.
72
Неполная (укороченная) дыхательная цепь (ЦПЭ):
Начинается от субстратов I рода и их дегидрирование происходит с
помощью связанного с внутренней мембраной митохондрий ФАДсодержащего фермента. Простетические группы ФАД и FeS. ФАД присоединяет два атома Н от субстрата. Затем FeS-белки забирают 2е , а 2 протона
выталкиваются в матрикс, далее электроны передаются на кислород, как и в
полной ЦПЭ.
Итак, отличие полной ЦПЭ от укороченной ЦПЭ: 1) субстраты полной ЦПЭ – II и III рода, укороченной – I рода; 2) в укороченной ЦПЭ нет
пиридинзависимых дегидрогеназ.
Определение окислительного фосфорилирования. Синтез АТФ из
АДФ и неорганического фосфата, сопряженный с переносом протонов и
электронов по дыхательной цепи от субстратов к кислороду, называется
окислительным фосфорилированием. Для количественного выражения окислительного фосфорилирования введен коэффициент окислительного фосфорилирования. Он представляет собой отношение числа молекул неорганического фосфата, перешедших в состав АТФ в процессе дыхания, на каждый
поглощенный атом кислорода. Отношение Р/О для полной дыхательной цепи
равно 3, для укороченной – 2. Энергия окисления, достаточная для образования молекулы АТФ выделяется в ЦПЭ в следующих стадиях: 1) НАД - ФМН
(НАДН-дегидрогеназа); 2) цит b - цит с (QН2 - цитохром с редуктаза); 3) цит а
- 1/2 О2 (цитохром с-оксидаза). На этих стадиях изменения ОВП превышают
0,22 В, что достаточно для образования макроэргической связи АТФ (>30,2
кДж/моль). Уменьшение свободной энергии, сопровождающее перенос протонов и электронов на кислород в результате одного дегидрирования, составляет примерно 220 кДж/моль. При этом на синтез АТФ в полной дыхательной цепи может быть израсходовано 30,2 3=90,6 кДж/моль. Отсюда КПД
ЦПЭ около 40%. Остальная энергия рассеивается в виде тепла.
Механизм окислительного фосфорилирования. Хемиоосмотическая
гипотеза Митчела (1961). По этой гипотезе дыхание и фосфорилирование связаны между собой электрохимическим потенциалом (ЭХП) на внутренней мембране митохондрий. Для понимания этой гипотезы необходимы следующие понятия: а) внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для Н+ и ОН ; б) во
внутреннюю мембрану митохондрий вмонтирована аденозинтрифосфатаза, катализирующая обратимую реакцию: АТФ + Н2О
АДФ + Н3РО4. АТФаза состоит из следующих субъединиц: F0 – гидрофобный сегмент из 4-х полипептидных цепей, связанный с внутренней мембраной митохондрий; F0 – это протонный канал, по которому в норме только могут перемещаться протоны через
мембрану; F1 – сопрягающий фактор, катализирующий синтез АТФ при перемещении протонов (1 АТФ на 2Н+). В укороченной цепи переноса электронов
отсутствует только первый этап, остальной перенос электронов такой же, как и
в полной цепи; в) синтез АТФ осуществляется при перемещении протонов че73
рез АТФ-азу в направлении от ММП (межмембранное пространство) к матриксу.
Суть гипотезы: за счет энергии переноса электронов в ЦПЭ
(ЕОКИСЛЕНИЯ) происходит движение протонов через мембрану в ММП и
создается электрохимический потенциал (ЕЭХП). При возвращении протонов назад через АТФазу энергия ЭХП трансформируется в энергию АТФ –
ЕАТФ. Итак: ЕОКИСЛ.
ЕЭХП
ЕАТФ. В полной ЦПЭ на стадии НАДН+
дегидрогеназы 2Н от ФМНН2 переносятся в ММП. На этапах b с1 и
а а3 (цитохромоксидаза) в ММП из матрикса переносятся еще две пары
протонов. Протоны берутся из Н2О матрикса или за счет конформационных изменений в ферментах. Со стороны матрикса будет преобладать отрицательный заряд (избыток ОН ), а со стороны ММП положительный (за
счет Н+). Возникает ЭХП, который состоит из двух компонентов: осмотического (разности концентраций ионов Н+) и электрического (разности
электрических потенциалов): Н+ =
+ рН. Эта величина измерена, она
равна ~0,25 В. При обратном токе 6-ти протонов через канал АТФ-азы возникает 3 молекулы АТФ. В укороченной ЦПЭ: в ММП выталкивается 4
протона, что при возврате через канал АТФ-азы даст 2 молекулы АТФ.
Дыхательный контроль. Дыхательный контроль – это регуляция
скорости переноса электронов по дыхательной цепи отношением
АТФ/АДФ. Чем меньше это отношение (преобладает АДФ), тем интенсивнее идет дыхание (это обеспечивает реакцию АДФ + Рн АТФ).
Разобщение дыхания и окислительного фосфорилирования возникает при повышении проницаемости мембраны митохондрий для протонов в любом месте, а не только в канале АТФ-азы. При этом не создается
электрохимический потенциал и энергия окисления рассеивается в виде
тепла. Так действуют ионофоры (2,4-динитрофенол, валиномицин и др.).
Они переносят обратно протоны через мембрану, выравнивая градиенты
рН и мембранного потенциала. Лекарственные препараты (аминобарбитал), продукты жизнедеятельности микроорганизмов, избыток тироидных
гормонов (вызывают накопление ненасыщенных жирных кислот, являющихся ионофорами) и др. приводят к разобщению дыхания и фосфорилирования, обеспечивая гипертермию. На разобщении дыхания и фосфорилирования базируется терморегуляторная функция тканевого дыхания.
Тканевое дыхание, протекающее в митохондриях и не сопровождающееся
образованием макроэргов, называют свободным или нефосфорилирующим
окислением. Образованная в результате окислительного фосфорилирования в митохондриях АТФ обменивается на внемитохондриальную АДФ с
помощью специальных белков транслоказ (транслоказы составляют до 6%
от всех белков внутренней мембраны митохондрий).
Гипоэнергетические состояния возникают: 1) при нарушении поступления субстратов для дегидрирования (на всех этапах от пищи до матрикса митохондрий); 2) при нарушении поступления О2 в митохондрии (на
74
всех этапах от дыхания, связь с Нb, транспорт и пр.); 3) при нарушении
мембран митохондрий, композиции липидного бислоя и ферментативных
ансамблей внутренней мембраны митохондрий.
Окислительные системы, не связанные с запасанием энергии.
Пероксидазный путь. Другой тип дегидрирования субстратов, заключающийся в переносе двух атомов водорода на молекулу кислорода,
называется пероксидазным: RН2 + O2
R + H2O2. Энергия окисления выделяется в виде тепла.
Это простые окислительные системы, представленные ФМН- и ФАДсодержащими ферментами, а также металлопротеинами. Они более широко
распространены в растительных клетках, чем в клетках животных и человека.
В клетке около 80% этих ферментов сосредоточено в пероксисомах, кроме
того они встречаются в мембранах, граничащих с цитозолем. Так происходит
окисление альдегидов, аминов, L- и D-аминокислот, пуринов и др. Некоторые из названных веществ являются токсическими. В лейкоцитах, гистиоцитах и других клетках, способных к фагоцитозу, пероксидазный путь окисления субстратов очень активен. Образующаяся Н2О2 используется для обезвреживания болезнетворных бактерий и распада инфекционного материала,
поглощенного клетками. Однако избыточное накопление перекиси водорода
токсично, особенно для нефагоцитирующих клеток. Накопление пероксидов
и генерация свободных радикалов может приводить к повреждению мембран
(рак, атеросклероз). Для предотвращения повреждающего действия пероксидов служат две ферментативные системы. Первая – фермент пероксидаза,
простетической группой которой является протогем. Ферменты этого типа
широко представлены у растений, а также встречаются в молоке, лейкоцитах,
тромбоцитах и тканях, продуцирующих эйкозаноиды: H2O2 + RH2
2H2O +
R, где RH2 – аскорбиновая кислота, хиноны, цитохром С, глутатион. В эритроцитах и некоторых других тканях присутствует глутатионпероксидаза, содержащая Se в качестве простетической группы. Этот фермент защищает
мембраны и гемоглобин от окисления пероксидами.
Второй фермент – каталаза, являющийся гемопротеином (4 гема):
2Н2О2
2Н2О + О2. Эта реакция напоминает пероксидазную, только вместо RH2 используется Н2О2. Каталазу находят в крови, костном мозге, слизистых оболочках, печени, почках, т.е. в клетках, где происходит интенсивное окисление с образованием Н2О2.
Оксигеназный путь. Оксигеназы – это ферменты, катализирующие
включение атома или молекулы кислорода в субстрат окисления. Служат
для синтеза и деградации различных метаболитов. Оксигеназы представлены двумя типами ферментов.
1) Монооксигеназы (оксигеназы со смешанной функцией, гидроксилазы, микросомальное окисление) катализируют присоединение одного
атома кислорода к молекуле субстрата: R-CH3 + O2
R-CH2OH + O. При
этом повышается растворимость вещества и проявляются новые фармако75
логические свойства. Для работы монооксигеназной системы необходимы
следующие основные компоненты: неполярный субстрат R-CH3; кислород
О=О; дополнительный субстрат НАДФН+Н+ – донор атомов водорода; цитохром Р450. Восстановленный СО-цитохром Р450 имеет максимум поглощения при 450 нм (отсюда название – цит Р450). Выполняет две функции: 1)
связывание субстрата гидроксилирования; 2) на цит Р450 происходит активация молекулярного кислорода. Монооксигеназный путь окисления локализован в мембранах эндоплазматического ретикулума (после разрушения
клеток эти мембраны замыкаются в микросферы – микросомы). Микросомальное окисление представляет короткую цепь, включающую НАДФ,
ФАД, FeS - белки (адренодоксин), цитохромы Р450, b5. В общем виде микросомальное окисление неполярных ксенобиотиков (лекарств) осуществляется с помощью гидроксилазного цикла. Первый (основной) субстрат
окисления RCH3 в мембране связывается с цитохромом P450. Второй (вспомогательный) субстрат НАДН + Н+ передает протоны и электроны на ФАД
и затем с помощью Fe2S2-белков происходит разделение потоков протонов
и электронов. Один е восстанавливает Fe3+ в Fe2+ в комплексе цит Р450-RСН3. Этот комплекс приобретает способность связывать молекулу О2. Второй е активирует молекулу О2 в комплексе так, что представляется возможность введения одного атома кислорода в субстрат с образованием
гидроксильной группы, а второго атома кислорода в молекулу Н2О (соединение с двумя протонами). В результате повышается растворимость субстрата, т.е. возможность его выведения из организма. Так окисляются многие ксенобиотики, лекарственные вещества. К сожалению, есть исключения. Так, монооксигеназная цепь, окисляя малотоксичный бензпирен (табачный дым, копчености), приводит к образованию токсичного оксибензпирена, являющегося сильным канцерогеном.
Свободно-радикальное окисление. Под свободными радикалами
понимают молекулу или ее часть, имеющую неспаренный электрон на молекулярной или на внешней атомной орбите. Появление неспаренного
электрона – появление у молекулы свободной валентности. Свободные радикалы реакционноактивны и вступают в химические реакции для приобретения недостающего электрона.
Полное восстановление О2 до Н2О требует присоединения 4 электронов: О2 + 4е + 4Н+ 2Н2О. При неполном восстановлении (т.е. присоединении 1, 2 или 3е ) образуются свободно-радикальные формы кислорода:
О2 – супероксидный радикал; О Н – гидроксидный радикал; О Н2 – пероксидный радикал.
О Н + О2О2 + ОН , здесь О2 – синглетный кислород (оба е на внешней орбитали имеют разнонаправленные спины). Супероксидный радикал может возникать в процессе биохимических реакций (окисление с помощью
флавопротеинов, в цепях монооксигеназных реакций и др.).
76
Свободные радикалы инициируют цепные реакции. Если в реакцию
вступают ненасыщенные жирные кислоты, то говорят о перекисном окислении липидов (этот процесс важен для патологии).
1) Инициация при действии R , металлов, излучений: Х+RH R +XH.
2) Удлинение, разветвление: R + O2 ROO (пероксидный радикал).
ROO + RH R + ROOH (гидроперекись) и т.д.
3) Терминация (обрыв цепи): ROO + R1
ROOR1; R + R1 RR1.
Применительно к фрагменту ненасыщенной жирной кислоты можно
показать ранние, средние и поздние продукты перекисного окисления. Во
всех полиненасыщенных жирных кислотах присутствует дивинилметановая структура, которая легко вступает в реакцию отрыва протона, сопровождающуюся образованием свободного радикала. Ранние продукты ПОЛ
– диеновые конъюгаты; средние продукты ПОЛ – гидроперекиси; конечные продукты ПОЛ – малоновый диальдегид. Эти процессы лежат в основе
повреждения мембран клеток. Перспективно определение в выдыхаемом
воздухе этана, который выделяется при окислении 3-жирных кислот, например, -линоленовой 18:3, 9,12,15, а также пентана – при окислении 6жирных кислот, например, линолевой 18:2, 9,12 или арахидоновой 20:4,
5,8,11,14
.
Антиоксидантная защита. Сдерживание процессов свободнорадикального окисления осуществляется с помощью неферментативных и ферментативных механизмов. 1) Неферментативная защита включает: комплексоны, связывающие металлы (этилендиаминотетрауксусная кислота); в водной
фазе – витамин С, ураты, ароматические амины, SH-соединения; в липидной
фазе – жирорастворимые витамины А ( -каротин), Е, гормоны стероидной природы, тироксин. 2) Ферментативная защита включает: супероксиддисмутаза (в
цитозоле простетическая группа – Cu2+, Zn2+, в митохондриях и у бактерий –
Mn2+) О2 - + О2 - + 2Н+ Н2О2 + О2. Перекись водорода обезвреживается в каталазной или пероксидазной (чаще глутатионпероксидазной) реакциях. Активатор
реакции – Se. В продукты питания добавляют антиоксидантные добавки: каротин, -токоферол, ВНА – бутиловый гидроксианизол, ВНТ – бутиловый
гидрокситолуен. Для профилактики радиационных поражений используют комплексы витаминов А, Е, С и -каротин, Е, С.
ОБЩИЙ ПУТЬ КАТАБОЛИЗМА
Общие пути катаболизма включают: 1) окисление пирувата в ацетил-КоА; 2) окисление ацетил-КоА в цикле трикарбоновых кислот; 3) выделение и аккумулирование энергии при дегидрировании метаболитов общего пути катаболизма в митохондриальных цепях переноса электронов.
Пируват образуется из углеводов (глюкоза), глицерина, гликогенных аминокислот и лактата. Ацетил-КоА занимает центральное место в общем пу77
ти катаболизма и образуется в митохондриях: 1) при окислительном декарбоксилировании пирувата; 2) при -окислении жирных кислот; 3) из
кетогенных аминокислот.
Окислительное декарбоксилирование пирувата. Из цитозоля пируват транспортируется в митохондрии с помощью специального переносчика.
Переносчик обеспечивает транспорт молекул пирувата через внутреннюю
мембрану митохондрий по механизму симпорта с протоном. Превращение
пирувата в ацетил-КоА катализирует мультиферментный пируватдегидрогеназный комплекс. Перемещение индивидуальных ферментов в комплексе ограничено. Промежуточные продукты превращений пирувата не отделяются
от мультиферментного комплекса. Пируватдегидрогеназный комплекс состоит из трех ферментов и пяти кофакторов. 1) Пируватдегидрогеназа (пируватдекарбоксилаза), кофактором является фосфорилированный витамин В1 –
тиаминпирофосфат. 2) Дигидролипоилтрансацетилаза, кофактором которой
является липоевая кислота и HS-KoA. 3) Дигидролипоилдегидрогеназа, в качестве кофермента содержит ФАД и использует НАД+.Ферментативное декарбоксилирование пирувата ведет к образованию ацетил-КоА.
Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса. Пируватдегидрогеназный комплекс регулируется 3-мя путями: 1) ингибируется продуктами реакции, т.е. ацетил-КоА и НАДН, активируется HSКоА и НАД+. 2)
ПДГ-комплекс ингибируется ГТФ и активируется АМФ, т.е. активность
комплекса снижается, когда клетка богата легкодоступной энергией. 3)
Фосфорилированием – дефосфорилированием (т.е. ковалентной модификацией).
78
NH2
CH2 N
HC
N
H3C
N
S
CH3
C
C
CH2 CH2 O
O
P O
OH
O
P OH
OH
Тиаминпирофосфат
пантотеновая кислота
O CH2
O P OH
O
O P OH
O
3'-фосфоCH2
АМФ
O
CH3
C CHOH
CH3
O
O
C NH CH2 CH2 C NH CH2 CH2 SH
-аланин
NH2
N
N
OH
O
PO3H2
тиоэтиламин
N
N
HS-КоА
S
S
Н2С СН2 СН СН2 СН2 СН2 СН2 СООН
Липоевая кислота
МЕХАНИЗМ ОКИСЛИТЕЛЬНОГО ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЯ
CH3
C O
COOH
Пируват
+
R1 N
C
-C C
H
S
ТПФ
CH3
R2
R1 N
C CH3
C
C R2
НО
S
С
СООН
Н3С
СО2
Карбоксиэтилтиаминпирофосфат
79
CH3
R2
R1 N
C
C
C
НО
S
С
Н
Н3С
СН3
S
HS
HSKoA
О
ЛК
HS
ЛК
ЛК
+
Липоевая
кислота
+ ФАД
ФАДН2 + НАД+
CH3
R2
+
Тиаминпирофосфат
СН3
С О
SKoA
Ацетил-липоевая
кислота
HS
R1 N
C
C
C
H
S
S
Оксиэтилтиаминпирофосфат
С
S
+
АцетилКоА
S
S
ЛК
HS
HS
ЛК
Дигидролипоевая
кислота
+ ФАДН2
ФАД + НАДН+Н+
+ ½ О2
+ 3 АДФ
+ 3 Н3РО4
НАД+ +Н2О + 3 АТФ
Цикл трикарбоновых кислот. Вторым компонентом общего пути
катаболизма является цикл трикарбоновых кислот. Последовательность
реакций: 1) ацетил-КоА конденсируется с ЩУК в реакции, катализируемой цитратсинтазой. Этот фермент регуляторный: ингибируется АТФ (конечный продукт, в форме АТФ запасается энергия окисления) и НАДН
(конечный продукт реакций дегидрирования ЦТК). 2) Аконитаза (аконитагидратаза) катализирует превращение цитрата в изоцитрат через стадию
цисаконитовой кислоты. Аконитаза по механизму действия одновременно
гидратаза и изомераза. 3) Изоцитратдегидрогеназа катализирует дегидрирование изолимонной кислоты в щавелевоянтарную кислоту. Коферментами могут быть НАД+ и НАДФ+. В ЦТК участвует изоцитратдегидрогеназа
80
с коферментом НАД+. Фермент активируется АДФ (аллостерический активатор) и ингибируется при накоплении выше определенного уровня АТФ и
НАДН. (В митохондрии и цитоплазме встречаются изоцитратдегидрогеназа
с коферментом НАДФ+, которая участвует в биосинтетических процессах).
4) -кетоглутаратдегидрогеназа катализирует окислительное декарбоксилирование -кетоглутарата в янтарную кислоту (сукцинат). Мультиферментный комплекс a-кетоглутаратдегидрогеназы похож на пируватдегидрогеназный комплекс. Окислительное декарбоксилирование
кетоглутарата протекает аналогично окислительному декарбоксилированию пирувата. 5) Сукцинилтиокиназа катализирует расщепление сукцинил-КоА на янтарную кислоту и кофермент А. Энергия расщепления сукцинил-КоА накапливается в виде гуанозинтрифосфата (ГТФ). В сопряженной реакции перефосфорилирования АДФ фосфорилируется в АТФ, а освобождающиеся молекулы ГДФ могут вновь фосфорилироваться. Это субстратное фосфорилирование. 6) Сукцинатдегидрогеназа катализирует превращение сукцината в фумаровую кислоту. Фермент вмонтирован во внутреннюю мембрану митохондрий и в качестве простетической группы содержит ФАД. Сукцинатдегидрогеназа – регуляторный фермент: активируется фосфатом, сукцинатом и конкурентно ингибируется ЩУК, последней
дикарбоновой кислотой ЦТК. 7) Фумаратгидратаза (фумараза) катализирует превращение фумаровой кислоты в яблочную (малат). Фермент стереоспецифичен, образует лишь L-малат. 8) Малатдегидрогеназа катализирует
окисление яблочной кислоты в ЩУК. Эта реакция практически идет в одном направлении, поэтому ее продукты – ЩУК и НАДН – быстро удаляются.
Регуляция цикла трикарбоновых кислот. 1) На стадии цитратсинтазы: АТФ аллостерический ингибитор (повышает Кm по ацетил-КоА). 2)
На стадии изоцитратдегидрогеназы: АДФ аллостерический активатор,
НАДН и АТФ ингибиторы. 3) -Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс:
ингибируют сукцинил-КоА и НАДН (т.е. продукты реакции) и высокий
энергетический заряд клетки (много АТФ).
Биологическая роль общего пути катаболизма. В общем пути катаболизма 2 группы реакций: 1) окислительное декарбоксилирование пирувата,
сопровождаемое образованием НАДН+Н+. 2) Окисление ацетил-КоА в цикле
Кребса. После дегидрирования метаболитов цикла трикарбоновых кислот
образуется 3НАДН + Н+ и ФАДН2, которые передают свои протоны и электроны на дыхательные цепи, где в сопряженных реакциях окислительного
фосфорилирования и образуются молекулы АТФ.
81
О C COOH
CH2
COOH
ЩУК
СOOH
CH2
C COOH
CH
COOH
Цисаконитат
+
CH3
O
Цитратсинтаза
C ~ SKoA
HO
HS-KoA
Ацетил-КоА
Аконитаза
+Н2О
Аконитаза
-Н2О
СOOH
CH2
C COOH
CH2
COOH
Цитрат
СOOH
СOOH
Изоцитратдегидрогеназа
CH2
CH2
Mn2+, НАД+
H C COOH
H C COOH
CH OH
C O
НАДН+Н+
COOH
COOH
+1/2 О2
+3 АДФ
Изоцитрат
Оксалосукцинат
+ 3 Н3РО4
НАД++Н2О+3 АТФ
СOOH
-КГДГ
CH2
ТПФ, ЛК, НS-КоА, ФАД, НАД+
CH2
- СО2 C O - СО2
НАДН+Н+
COOH
+1/2 О2
+3 АДФ
-кетоглутарат
+ 3 Н3РО4
СOOH Сукцинилтиокиназа
+ГДФ, Н3РО4, Mg2+
CH2
CH2
C O
HSKo-A ГТФ+АДФ
НуклеозидSKoA
дифосфатСукцинил-КоА
киназа
НАД++Н2О+3 АТФ
СукцинатСOOH дегидрогеназа
ФАД
CH2
CH2
ФАДН2
COOH
+1/2 О2
Сукцинат
+2 АДФ
Фумараза
СOOH +Н О
2
CH
CH
COOH
Фумарат
+2 Н3РО4
ФАД+Н2О+2 АТФ
ГДФ+АТФ
СOOH
HO C H
CH2
COOH
Малат
Малатдегидрогеназа
НАД+
НАДН+Н+
+1/2 О2
+3 АДФ
+ 3 Н3РО4
НАД++Н2О+3 АТФ
СOOH
C O
CH2
COOH
ЩУК
Общий итог: 1) окислительное декарбоксилирование пирувата –
3 АТФ. 2) В ЦТК и сопряженных дыхательных цепях – 11 АТФ. 3) В реакции субстратного фосфорилирования ЦТК – 1 АТФ. Итого: 15 АТФ.
82
В общем пути катаболизма образуется 3 молекулы СО2 (1 на стадии
декарбоксилирования пирувата и 2 в ЦТК). И атом кислорода, и атом углерода в углекислоте происходят от субстратов окисления.
Процесс дегидрирования субстратов окисления, сопряженный с реакциями декарбоксилирования и переносом протонов и электронов на кислород с образованием воды, выделением и аккумулированием энергии, называется тканевым дыханием. Тканевое дыхание является частью биологического окисления. На тканевое дыхание расходуется более 90% вдыхаемого
кислорода. Итак, общий путь катаболизма обеспечивает:
1) продукцию
энергии в дыхательных цепях, поставляя в нее протоны и электроны; 2) ряд
биосинтетических процессов, начинающихся от ацетил-КоА и метаболитов
ЦТК.
Роль витаминов в регуляции общего пути катаболизма. Семь витаминов выполняют функции кофакторов ферментов общего пути катаболизма:
– пируват- и -кетоглутарат-дегидрогеназные комплексы: В1 необходим для синтеза ТПФ; липоевая кислота (витаминоподобное вещество);
В3 необходим для синтеза HS-КоА; В2 необходим для синтеза ФАД; В5
(РР) необходим для синтеза НАД;
– биотин катализирует реакцию карбоксилирования пирувата с образованием ЩУК (щавелево-уксусной кислоты);
– В6 необходим для синтеза пиридоксальфосфата, являющегося кофактором аспартат- и аланинаминотрансфераз, катализирующих превращение аспартата в ЩУК и аланина в пируват. Перечисленные выше витамины должны составлять основу сбалансированных поливитаминных препаратов.
ОБМЕН УГЛЕВОДОВ
Основные углеводы животных, их содержание в тканях, биологическая роль. Все углеводы условно делятся на две группы:
1. Углеводы с преимущественно энергетической функцией. 1) Глюкоза при полном окислении одной молекулы дает 38 молекул АТФ. Из
глюкозы образуются все другие углеводы организма, кроме аскорбиновой
кислоты. 2) Гомополисахариды (крахмал в растениях; гликоген в животных клетках) состоят из остатков -D-глюкозы, соединенных (1 4) и в
местах ветвления (1 6)-гликозидными связями. Откладываются в цитозоле в виде гранул и несут резервную функцию.
2. Углеводы с преимущественно структурной функцией. 1) Гликопротеины и гликолипиды входят в состав мембран клеток и участвуют в
специфических взаимодействиях (например, рецепторы). 2) Гликозамингликаны входят в состав соединительной ткани. Некоторые из них (гепарин)
выполняют регуляторную функцию.
83
Глюкоза как важнейший метаболит углеводного обмена. Общая
схема источников и путей расходования глюкозы в организме. Глюкоза является основным метаболитом углеводного обмена. Основные источники глюкозы: 1) пища; 2) распад резервного полисахарида гликогена; 3) синтез глюкозы
из неуглеводных предшественников (главным образом, из гликогенных аминокислот) – глюконеогенез. Основные пути расходования глюкозы: 1) образование энергии при аэробном и анаэробном окислении глюкозы; 2) превращение в
другие моносахариды; 3) превращение в гликоген и гетерополисахариды; 4)
превращение в жир, некоторые аминокислоты и другие соединения. В кровь поставляют глюкозу: кишечник (пища), печень и почки (есть фермент глюкозо-6фосфатаза). Остальные ткани потребляют глюкозу.
Аэробный распад – основной путь катаболизма глюкозы у человека.
Включает 10 реакций специфического пути превращения глюкозы до пирувата;
перенос пирувата в митохондрии, его окислительное декарбоксилирование в
ацетил-КоА, окисление ацетил-КоА в ЦТК и сопряженных ЦПЭ до СО2 и Н2О.
Последовательность реакций до образования пирувата как специфический для глюкозы путь катаболизма. Специфический путь катаболизма глюкозы до пирувата включает 10 реакций и протекает в цитозоле
одинаково в аэробных и анаэробных условиях:
1) фосфорилирование глюкозы осуществляется ферментами: неспецифической гексокиназой с низкой константой Михаэлиса (10 -5 М) и присутствующей преимущественно в печени специфической глюкокиназой
(Кm = 10-3 М). Активность глюкокиназы индуцируется глюкозой пищи.
Оптимальная концентрация глюкозы крови для глюкокиназы 5 ммоль/л.
Реакция фосфорилирования глюкозы необратима. Оба фермента фосфорилируют глюкозу с помощью Mg-АТФ комплекса. Гексокиназа аллостерически ингибируется глюкозо-6-фосфатом: Глюкоза + АТФ
Г-6-Ф. 2)
Изомеризация Г-6-Ф во фруктозо-6-фосфат катализируется фосфогексоизомеразой. Реакция обратима. Изомеризуется только -аномер Г-6-Ф: Г-6Ф Ф-6-Ф. 3) Фосфорилирование Ф-6-Ф во Ф-1,6-БФ, фермент фосфофруктокиназа (ФФК-I). Реакция требует АТФ и Mg2+. Это самая медленная
реакция специфического пути катаболизма глюкозы и поэтому лимитирует
скорость всего процесса: Ф-6-Ф+АТФ
Ф-1,6-БФ. Реакция необратима.
ФФК – аллостерический регуляторный фермент, который ингибируется
АТФ и высокими концентрациями цитрата и активируется АДФ и АМФ. 4)
Расщепление Ф-1,6-БФ на две фосфотриозы катализируется ферментом
альдолаза: Ф-1,6-БФ
3-ФГА + ДАФ (3-ФГА – 3-фосфоглицериновый
альдегид; ДАФ – диоксиацетонфосфат). 5) Изомеризация триозофосфатизомеразой. Равновесие сдвинуто в сторону ДАФ (95%) и 5% 3-ФГА. Однако в последующие реакции вступает только 3-ФГА. Итак, 1 молекула гексозы распалась на 2 молекулы фосфотриоз, которые далее превращаются
одинаково.
84
Глюкокиназа
Гексокиназа
АТФ, Mg2+
СН2ОН
О
ОН
ОН
СН2ОPO3H2 Фосфогексоизомераза
О
ОН
ОН
ОН
ОН
D-Глюкоза
ОН
ФосфофруктоCH2OPO3H2
киназа
CH2OPO3H2
O
2+
АТФ, Mg
HO
OH
OH
H
+
Диоксиацетонфосфат
(ДАФ)
OH
Фруктозо-6-фосфат
O
C
H C OH
CH2OPO3H2
3-Фосфоглицериновый
альдегид (3-ФГА)
O
H
C
+ HS-Фермент-НАД+
2 H C OH
CH2OPO3H2
2 АТФ
OH
C S-Фермент-НАД+
2 H C OH
CH2OPO3H2
Фермент-субстратный комплекс
(тиополуацеталь)
О
+
C ~S-Фермент-НАДН+Н+ +2 НАД цитозоля
+2 Н3РО4
2 H C OH
CH2OPO3H2
+ 2 НАДН+Н+
Фосфоглицераткиназа
OH
CH2OPO3H2
C O
Альдолаза
HO C H
H C OH
H C OH
CH2OPO3H2
Фруктозо-1,6-бисфосфат
Фруктозо-1,6-бисфосфат
H
HO
ОН
D-Глюкозо-6-фосфат
CH2OPO3H2
C O
CH2OH
CH2OPO3H2
CH2OH
O
О
C О ~ РО3Н2
2 H C OH
+2 АДФ
CH2OPO3H2
1,3 бисфосфоглицериновая
кислота
CООН
CООН
Фосфоглицератмутаза
2 H C OH
2 Н C OРО3Н2
CH2OPO3H2
CH2OH
3-фосфоглицериновая
2-фосфоглицериновая
кислота
кислота
85
Енолаза
-Н2О,
Mg2+, Mn2+
+Н2О
CООН
2 C O ~РО3Н2
CH2
2-фосфоенолпируват
Пируваткиназа
+ 2АДФ
2 АТФ
CООН
2 C OН
CH2
Пируват
CООН
2 C О
СН3
Пируват
6) Окисление 3-ФГА. Обе молекулы 3-ФГА дегидрируются с одновременным присоединением неорганического фосфата с помощью фермента дегидрогеназы 3-фосфоглицеринового альдегида (глицеральдегид-3фосфатдегидрогеназа) в 1,3-бисфосфоглицериновую кислоту. Фермент состоит из 4-х субъединиц. В активном центре фермента находится SHгруппа (цис-149) и связанный кофермент НАД+. Вначале 3-ФГА присоединяется к ферменту по SH-группе с образованием тиополуацеталя. При его
окислении (дегидрировании) образуется богатый энергией тиоэфир. Затем
протоны и электроны переносятся со связанного с ферментом НАД на цитоплазматический, а присоединяющийся Рн ведет к образованию 1,3бисфосфоглицериновой кислоты. Таким образом альдегид окисляется в кислоту, а энергия окисления аккумулируется в виде ~Р. Существует обязательный порядок связывания с ферментом субстратов и отделения от него
продуктов реакции: 2 3-ФГА + 2 Н3РО4 + 2 НАД+
2 1,3-БФГК + 2
+
НАДН+Н .
7) Фермент фосфоглицераткиназа обеспечивает субстратное фосфорилирование АДФ: 2 1,3-БФГК + 2 АДФ
2 3-ФГК + 2 АТФ. 8) Перенос фосфата в положение С2 катализируется фосфоглицератмутазой. В качестве
«косубстрата» участвует 2,3-бисфосфоглицерат и необходимы ионы Мg2+:
2 3-ФГК
2 2-ФГК. 9) Енолизация. Фермент енолаза. Требует обязательного присутствия ионов Мg2+, Мn2+. Блокируется флюоридом. Это используется для сохранения глюкозы в консервированной крови. 2 2-ФГК
2
ФЕП + 2 Н2О. При енолизации происходит образование макроэргической
связи (61,9 кДж/моль) в составе ФЕП (фосфо-енолпируват). 10) Фермент
пируваткиназа обеспечивает субстратное фосфорилирование АДФ: 2 ФЕП
+ 2АДФ 2 пируват + 2 АТФ.
Итак, итогом 10 реакций специфического пути катаболизма глюкозы
в цитозоле клеток является: 2 молекулы пирувата; 2 молекулы НАДН+Н+;
4 молекулы АТФ образовалось, но израсходовано 2 молекулы АТФ (итого
2 молекулы АТФ).
86
Окислительное превращение глюкозы. Процесс включает два типа реакций:
1) перенос пирувата в митохондрии и превращение его в общем пути
катаболизма (окислительное декарбоксилирование пирувата до ацетилКоА и окисление ацетил-КоА до СО2 и Н2О в цикле трикарбоновых кислот
и сопряженных ЦПЭ).
2) Перенос восстановленных эквивалентов от цитоплазматического
НАДН+Н+ в митохондрии с помощью малатного челночного механизма.
СOOH Малатдегидрогеназа
+ C O
HO
НАДН+Н +
CH2
НАД+
COOH
ЩУК
Малатдегидрогеназа
НАД+
НАДН+Н+
+1/2 О2
+3 АДФ
+ 3 Н3РО4
СOOH
C H
CH2
COOH
Малат
МХ
СOOH
HO C H
CH2
COOH
Малат
СOOH
C O
CH2
COOH
ЩУК
НАД++Н2О+3 АТФ
Энергетика окисления 1 молекулы глюкозы.
Глюкоза 2 пируват.
Образуется 4 АТФ (ФГК, ПК), тратится 2 АТФ (ГК, ФФК). Итого: 2 АТФ.
2 НАДН2 перенос в митохондрии 6 АТФ.
2 Пируват 2 ацетил-КоА + 2 НАДН2 6 АТФ.
2 ацетил-КоА ЦТК + ЦПЭ 2 12 = 24 АТФ.
Итого: 2 + 6 + 6 + 24 = 38 АТФ.
Анаэробный распад глюкозы (гликолиз) функционирует в тканях,
где в клетках нет митохондрий (зрелые эритроциты человека) и в анаэробных условиях. Конкретные реакции от глюкозы до пирувата совпадают с
аэробным распадом глюкозы. Следовательно, в анаэробных условиях образуется: 2 молекулы пирувата, 2 молекулы восстановленного НАД+Н+ и 4
молекулы АТФ. Но в анаэробных условиях нет акцептора электронов в
митохондриях, т.е. О2. Поэтому пируват и НАДН не переносятся в митохондрии. В цитозоле сам пируват принимает водород от восстановленного
НАДН+Н+ и восстанавливается в молочную кислоту. Реакция обратима и
катализируется лактатдегидрогеназой: пируват + НАДН+Н+
лактат. По87
этому в гликолизе выделяют центральную реакцию – гликолитическую оксидоредукцию.
В центральной окислительно-восстановительной реакции гликолиза
НАД выполняет роль промежуточного переносчика водорода от 3фосфоглицеринового альдегида на пируват в цитозоле.
АДФ
ГЛЮКОЗА ...
3-ФГА
АТФ
3-ФГК
АДФ
АТФ
НАД+ НАДН+Н+Фосфоенолпируват
ЛАКТАТ
ПИРУВАТ
Энергетическая ценность: 4-2=2 АТФ (в 19 раз меньше, чем при
аэробном распаде). Гликогенолиз – анаэробный распад гликогена. Его
энергетическая ценность: 4-1=3АТФ. Хотя энергии образуется меньше,
чем в аэробных условиях, это – единственный процесс поставки энергии в
анаэробных условиях.
Физиологическое значение окисления глюкозы. Окисление глюкозы используется: 1) для получения энергии; 2) для синтеза жирных кислот, глицерина, аминокислот.
По роли распада глюкозы все ткани можно условно разделить на
3 группы:
1) эритроциты (лишены митохондрий), «белые мышечные волокна»,
служащие для интенсивной, но кратковременной работы. Эти клетки плохо
приспособлены для использования кислорода, поэтому в них происходит анаэробный распад глюкозы (гликолиз) для получения энергии. Образованный
лактат выходит в кровь. 2) Нейроны, требующие большого количества энергии, «красные мышечные волокна», служащие для длительной работы. Эти
клетки (ткани) имеют хорошее кровоснабжение, в их митохондриях высока
активность ферментов дыхательных цепей, поэтому в них происходит аэробный распад глюкозы через пируват до СО2 и Н2О, что дает 38 молекул АТФ на
1 моль глюкозы. 3) Гепатоциты, адипоциты (липоциты), клетки нейроглии.
Эти клетки при необходимости синтезируют липиды. Поэтому в них продукты
распада глюкозы обычно идут на синтез жирных кислот и глицерина. Подчеркнем, что превращение глюкозы в пируват может происходить во всех
клетках. Все ферменты этого пути находятся в цитозоле.
Биосинтез глюкозы – глюконеогенез. В широком смысле под глюконеогенезом понимают синтез глюкозы из всех метаболитов – источников
глюкозы. В узком смысле – только из аминокислот. Синтез глюкозы происходит, главным образом, в печени и корковом слое почек. Синтез глюкозы в печени происходит после истощения запасов печеночного гликогена
для поддержания в крови уровня глюкозы. Такая ситуация складывается
при длительной физической работе и при длительном голодании. Источ88
ники синтеза глюкозы: 1) при длительной физической работе – из лактата,
поступающего из мышц, и из глицерина, поступающего из жировой ткани.
2) При длительном голодании – из глицерина, поступающего из жировой
ткани, и из аминокислот, поступающих из тканей (мышц) вследствие разрушения белков.
Глюкоза
Глюкозо-6фосфат
Г-6-Ф
таза
Ф-6-Ф
Фруктозо-1,6бисфосфатаза
Ф-1,6-
ГДФ+Рн
-СО2
ГТФ
Фосфоенолпируват
Фосфоенолпируваткарбоксикиназа
Лактат
Пируват
ЩУК
Пируват
МХ
-СО2
+ биотин
НАДН+Н+
НАД+
АцетилКоА
+
НАДН+Н
ЩУК
+
НАД
Малат
Цитрат
Малат
ЦТК
Рассмотрим биосинтез глюкозы из молочной кислоты. При этом используются реакции обращения гликолиза, за исключением трех необратимых реакций: гексокиназной, фосфофруктокиназной и пируваткиназной. Для
их обращения служат специальные ферменты. Весь процесс, за исключением
первого этапа, идет в цитозоле. Для обращения пируваткиназной реакции
требуются ферменты митохондрий. Лактат превращается в пируват в обратимой реакции, катализируемой лактатдегидрогеназой. Пируват не может
сразу превратиться в фосфоенолпируват. Поэтому существует обходной
путь: пируват проникает в митохондрии. Фосфоенолпируват легко превра89
щается в фруктозо-1,6-бисфосфат в обратимых реакциях гликолиза. Необратимая фосфофруктокиназная реакция обращается с помощью специального
фермента фосфатазы Ф-1,6-бисфосфата. Аналогично необратимая гексокиназная реакция обращается с помощью другого специального фермента –
фосфатазы глюкозо-6-фосфата. Этот фермент характерен для эндоплазматической сети клеток печени и почек, его нет в мышцах и мозге. Глицерин
включается в глюконеогенез на стадии дегидрогеназы фосфоглицеринового
альдегида. Гликогенные аминокислоты (гли, ала, сер, цис, асп и др.) включаются в глюконеогенез через ЩУК.
Взаимосвязь гликолиза и глюконеогенеза (цикл Кори). Для координирования деятельности органов в интересах целостного организма важна координация процессов распада (гликолиз) и синтеза (глюконеогенез) углеводов. В работающих мышцах идет гликолиз – анаэробный распад глюкозы до молочной
кислоты. Мышцы получают глюкозу из крови. Ткань мышцы не отдает глюкозу
в кровь, поскольку нет фермента глюкозо-6-фосфатаза. Лактат из мышцы выходит в кровь и поступает в печень. В гепатоцитах идет глюконеогенез из лактата.
Глюкоза поставляется в кровь, т.к. в печени имеется фермент глюкозо-6фосфатаза. Этот кругооборот и является циклом Кори. Для многих других органов (мозг, почки, селезенка и др.) потребность в энергии сравнительно постоянна,
и скорость распада глюкозы меняется мало.
Регуляция при физической работе:
1) АДФ и сами гексозы, которые накапливаются в мышцах вначале
работы, аллостерически активируют ферменты распада глюкозы.
2) Глюкокортикоиды и глюкагон, выделяющиеся при длительной работе
и голодании, стимулируют в печени синтез ферментов глюконеогенеза.
3) Жирные кислоты, которые мобилизуются из жировой ткани при
длительной работе и голодании, и продукты их обмена (АТФ, ацетил-КоА,
цитрат) аллостерически ингибируют в мышцах и печени ферменты синтеза
глюкозы.
Регуляция после еды: инсулин, который выделяется после еды, повышает проницаемость клеток для глюкозы и активирует гексокиназу.
Этим стимулируются все превращения глюкозы (в том числе и синтез из
нее жирных кислот в печени и жировой ткани).
Представление о пентозофосфатном пути превращения глюкозы.
Часть глюкозы (в печени – до 33%, в жировой ткани – до 20%, в эритроцитах – до 10% и в мышцах – менее 1%) вступает не в гликолиз, а в пентозофосфатный путь (ПФП). ПФП называют апотомическим путем (от слова
«apex» – верхушка) в отличие от дихотомического пути (пополам, т.е. распад в анаэробных условиях до триоз).
90
Н
ОН
O
С
С
Лактоназа
Глюкозо-6-фосфатН С ОН
Н
С
ОН
+ 6 Н2О
дегидрогеназа
6 НО С Н О
6 НО С Н О
Н С ОН
Н С ОН
6 НАДФ+ 6 НАДФН+Н+
Н С
Н С
СН2ОРО3Н2
СН2ОРО3Н2
Глюкозо-6-фосфат
6-фосфоглюконолактон
СOOH
CH2OH
6-фосфоглюконатН С ОН
C O
дегидрогеназа
НО С Н
6 H C OH
Н С ОН
6 НАДФ+ 6 НАДФН+Н+ H C OH
Н С OH
CH2OPO3H2
6 СО2
СН2ОРО3Н2
6-фосфоглюконовая
D-риболузо-5-фосфат
кислота
Изомераза
Эпимераза
CH2OH
C O
4 HO C H
H C OH
CH2OPO3H2
Ксилулозо-5-фосфат
О
С Н
Н С ОН
2
Н С ОН
Н С ОН
СН2ОРО3Н2
Рибозо-5-фосфат
СН2ОН
О
O
H
С О
CH2OH
С Н Транскетолаза
C
НО С Н
C O
ТПФ
Н С ОН
2 Н С ОН + 2 H C OH
+ 2
2 HO C H
Н С ОН
CH2OPO3H2
Н С ОН
H C OH
Н С ОН
3-ФГА
Н С ОН
CH2OPO3H2
СН2ОРО3Н2
СН2ОРО3Н2
Ксилулозо-5-фосфат Рибозо-5-фосфат
Седогептулозо-7-фосфат
91
СН2ОН
О
CH2OH
С О
С Н
C O
Трансальдолаза
НО С Н
Н С ОН
+ 2 HO C H
+
2
2 Н С ОН
Н С ОН
H C OH
Н С ОН
СН2ОРО3Н2
CH2OPO3H2
СН2ОРО3Н2
Ксилулозо-5-фосфат
Фруктозо-6-фосфат Эритрозо-4-фосфат
Транскетолаза
ТПФ
H
СН2ОН
O
H
С О
C
НО С Н
2
H C OH
+
2 Н С ОН
CH2OPO3H2
Н С ОН
СН2ОРО3Н2
3-ФГА
Фруктозо-6-фосфат
O
C
+
H C OH
CH2OPO3H2
3-ФГА
CH2OPO3H2
C O
CH2OH
Альдолаза
Фруктозо-1,6-бисфосфат
Фруктозо-1,6бисфосфатаза
ДАФ
Фруктозо-6-фосфат
Первая реакция ПФП представляет собой дегидрирование (окисление) Г-6Ф, катализируемое глюкозо-6-фосфатдегидрогеназой. Кофермент –
НАДФ+. Глюкозо-6-фосфатдегидрогеназа осуществляет дегидрирование 1-го
углеродного
атома
с
образованием
соответствующего
6фосфоглюконолактона. Хотя это соединение нестабильно, есть все же фермент – лактоназа, катализирующая гидролиз лактона до свободной кислоты.
На следующей стадии 6-фосфоглюконат подвергается окислительному декарбоксилированию при участии 6-фосфоглюконатдегидрогеназы (кофермент
НАДФ+), в результате чего образуется кетопентоза – D-рибулозо-5-фосфат.
Образованный рибулозо-5-фосфат превращается в двух реакциях, катализируемых эпимеразой (образуется 3-эпимер – ксилулозо-5-фосфат) и изомеразой
(образуется альдоизомер – рибозо-5-фосфат). Описанные реакции называются
окислительными реакциями ПФП. Часто пентозофосфатный путь на этом завершается. В неокислительных реакциях ПФП происходят взаимопревращения кетоз и альдоз. Итог: 12 НАДФН+Н+ и 5 молекул Ф-6-Ф из 6 молекул Г-6Ф.
Функции: 1) синтез НАДФН для биосинтезов и первой стадии обезвреживания ксенобиотиков; 2) синтез пентозофосфатов для нуклеотидов; 3) образование моносахаридов от 3 до 7 углеводных атомов (триозы, тетрозы, пентозы, гексозы, гептозы); 4) в растениях участие в темновой фазе фотосинтеза.
92
Катаболизм углеводов в тканях. Распад гликогена в клетках осуществляется 2 путями:
1) амилолитическое расщепление менее значимо, и заключается в
гидролитическом отщеплении концевых остатков глюкозы от цепей гликогена с помощью фермента (1 4)-гликозидазы ( -амилазы). При этом в
цитозоле появляются молекулы свободной глюкозы.
2) Фосфоролитическое расщепление гликогена более значимо. Фермент
фосфорилаза в присутствии неорганического фосфата катализирует расщепление -1,4-гликозидных связей гликогена с образованием глюкозо-1-фосфата.
Остатки глюкозы отщепляются от дальних концов молекул гликогена до тех
пор, пока на ветвях, идущих от точки ветвления (1 6 связи), не останется
примерно по 4 остатка глюкозы. Затем фермент
(1 4)- (1 4)глюкантрансфераза переносит трисахаридный фрагмент с одной цепи на другую. Оставшийся остаток глюкозы, связанный (1 6)- гликозидной связью,
отщепляется гидролитически с помощью деветвящего (дебраншинг) фермента
– амило(1 6)-гликозидаза. Считают, что это второй вид активности глюкантрансферазы. При этом высвобождается свободная глюкоза. (Это наблюдается
при болезни Гирке – гликогеноз типа I – после введения глюкагона или адреналина: повышение глюкозы при отсутствии глюкозо-6-фосфатазы). Итак, из
кишечника после еды, а также из печени и почек (амилолитический и фосфоролитический гликогенолиз) выделяется свободная глюкоза. При избытке она
идет на синтез гликогена (гликогенонеогенез) – третья фаза анаболизма углеводов.
Биосинтез гликогена. Синтез гликогена (печень, мышцы) идет в 3 этапа:
1) активация С1-атома глюкозы: глюкоза + АТФ
Г-6-Ф
Г-1-Ф +
УТФ
УДФ-глюкоза. В состав гликогена глюкоза включается из специальной активной формы – УДФ-глюкозы.
2) Образование (1 4)-гликозидных связей (удлинение цепей гликогена). При присоединении очередного остатка глюкозы из УДФглюкозы ее С1-атом связывается через кислород с С4-атомом остатка глюкозы, последнего в цепи гликогена (необходима гликоген-затравка, включающая более 4 остатков глюкозы). Фермент – гликогенсинтаза.
3) Образование (1 6) гликозидных связей (точки ветвления, образование новых цепей). Ветвление образуется путем переноса олигосахарида (67 остатков) с конца цепи гликогена на С6-атом одного из промежуточных остатков глюкозы. Фермент – амило(1,4 1,6)-трансгликозидаза (браншингфермент). Новые цепи далее удлиняются ( -1,4).
Ферменты распада гликогена (фосфорилаза) и его синтеза (гликогенсинтаза) являются регуляторными. Регуляция осуществляется методом
химической модификации: фосфорилированием - дефосфорилированием.
Обычно регуляции оба фермента подвергаются синхронно.
93
Регуляция обмена гликогена. Процесс носит каскадный характер и
включает ряд ферментов.
1) Фосфорилаза и гликогенсинтаза имеют субъединичное строение. Неактивная (малоактивная) фосфорилаза «b» состоит из нефосфорилированных
димеров и под действием фермента киназа фосфорилазы с участием АТФ переходит в активную форму «а», которая представлена фосфорилированными тетрамерами. Дефосфорилирование фермента, т.е. переход формы «а»
«b» осуществляется с помощью фермента протеинфосфатаза. Гликогенсинтаза, наоборот, в неактивном состоянии (D-форма) является фосфорилированным тетрамером. Переход в активную форму «I» – дефосфорилированный тетрамер – осуществляется под действием протеинфосфатазы. Фосфорилирование фермента
(«I» «D») происходит под действием протеинкиназы + АТФ. Протеинкиназы
– это группа ферментов, фосфорилирующих белки-ферменты за счет АТФ.
2) Протеинкиназа – сложный регуляторный фермент. Состоит из двух
субъединиц: рецепторной (R) и каталитической (С). Рецепторная часть является ингибитором фермента. Комплекс СR не активен. Активатором является цАМФ (3',5'-АМФ), который соединяется с рецепторной субъединицей,
и неактивный комплекс фермента диссоциирует. Это приводит к освобождению каталитических субъединиц, образующих активный фермент. (В
мышцах фермент может активироваться ионами кальция. При этом ионы
кальция связываются с кальмодулинподобной субъединицей протеинкиназы).
3) Протеинфосфатазы – это группа ферментов, обеспечивающих
гидролитическим путем дефосфорилирование фосфорилированных форм
ферментов (активаторы: гидрокортизон, инсулин, глюкоза).
4) Аденилатциклаза связана с рецепторами плазматической мембраны и
катализирует превращение АТФ в 3',5'-АМФ, обеспечивая повышение концентрации 3',5'-АМФ в цитозоле (активаторы: адреналин, глюкоза).
5) Фосфодиэстераза катализирует разрыв фосфодиэфирной связи
3',5'-АМФ с образованием 5'-АМФ (активатор – инсулин):
аденилатциклаза
фосфодиэстераза
АТФ
3',5'АМФ
АМФ
Рассмотрим схему мобилизации гликогена. Гормоны глюкагон (в печени) и адреналин стимулируют аденилатциклазу, в результате в цитозоле
увеличивается концентрация цАМФ; цАМФ активирует протеинкиназу. Протеинкиназа фосфорилирует за счет АТФ белки-ферменты, в частности, фосфорилирует второй фермент из класса протеинкиназ – киназу фосфорилазы. Киназа фосфорилазы из неактивной дефосфорилированной формы переходит в
активную фосфорилированную форму. Активная киназа фосфорилазы за счет
АТФ переводит фосфорилазу «b» (неактивная) в фосфорилазу «а», которая катализирует фосфоролитическое расщепление гликогена. Параллельно протеинкиназа фосфорилирует гликогенсинтазу «I», переводя ее в неактивную гликогенсинтазу «D», т.е. тормозится синтез гликогена. Механизм каскадный и
94
позволяет 1 молекуле гормона привести к образованию 107-108 молекул глюкозы.
В мышцах есть дополнительные механизмы распада гликогена. При
возбуждении мышц (нервный импульс) происходит освобождение ионов
кальция, которые способны активировать протеинкиназу и, в частности, киназу фосфорилазы (связывание с кальмодулин-подобной субъединицей).
Одновременно ингибируя фосфатазу фосфорилазы, ионы кальция приведут
к преобладанию активной формы фосфорилазы «а», а, следовательно, к
расщеплению гликогена. В некоторых случаях неинтенсивной работы фосфорилаза «b» может активироваться АМФ и Н3РО4 без перехода в фосфорилазу «а». Однако при любом усилении деятельности мышц происходит
фосфорилирование и переход формы «b» в форму фосфорилазы «а» (фосфорилаза «а» не чувствительна к АМФ).
РЕГУЛЯЦИЯ СИНТЕЗА И РАСПАДА ГЛИКОГЕНА
Инсулин
Адреналин,
Инсулин
Мышечное
+
АМФ
сокращение
+ глюкагон
Фосфодиэстераза
Аденилатциклаза
2+
Са
цАМФ
АТФ
Киназа
фосфорилазы
Киназа
фосфорилазы
+
+АТФ
+АТФ
Протеинкиназа
+АТФ
Гликоген
Фосфорилаза b Фосфорилаза a
-4 Рн
Гликогенcинтаза I
Глюкозо-1фосфат
Фосфатаза
фосфорилазы
Гликогенcинтаза D
-Рн
Фосфатаза гликогенсинтазы
Индукция синтеза гликогена. Инсулин, инактивируя аденилатциклазу и
(или) активируя фосфодиэстеразу, снижает концентрацию цАМФ. Активность
протеинкиназ будет падать и начнет преобладать активность протеинфосфатаз. В
результате дефосфорилирования будет инактивироваться фосфорилаза «а» (перейдет в форму «b») и активироваться гликогенсинтаза (гликогенсинтаза
«D» «I»). В итоге будет сдвиг в сторону синтеза гликогена.
95
ОБМЕН ЛИПИДОВ
Функции липидов: 1) пластическая – липиды входят в состав мембран
и определяют их свойства (проницаемость, жидкостность, передача нервного
импульса и др); 2) энергетическая – липиды служат энергетическим материалом для организма. При окислении 1 г жира выделяется 39 кДж/моль энергии, что в 2 раза больше, чем при окислении 1 г белков или углеводов. Липиды – долгосрочный резерв энергии; 3) защитная – липиды предохраняют тело
и органы от механического повреждения и сохраняют тепло (подкожный
жир, жировая капсула почек, сальник в брюшной полости); 4) регуляторная
функция (эйкозаноиды, стероидные гормоны); 5) эмульгирование жиров
(пищеварение), стабилизация липидсодержащих жидкостей (желчь) и транспорт гидрофобных молекул (мицеллы, липопротеины). С нарушениями обмена липидов связаны такие заболевания, как атеросклероз, ожирение, желчно-каменная болезнь и др.
Классификация липидов. Липиды – это группа соединений, не растворимых в воде, но растворимых в органических растворителях.
Липиды делятся на 2 группы: неомыляемые (не содержат жирных кислот)
и омыляемые. К неомыляемым липидам относятся стероиды, каротиноиды и
терпеноиды (построены из изопреновых остатков). Омыляемые липиды делятся
на простые и сложные. К простым липидам относятся жиры – триацилглицерины (резерв энергии) и воски – эфиры одноатомного спирта с жирной кислотой
(кожное сало). Сложные липиды делятся на фосфолипиды и гликолипиды. В
зависимости от спирта фосфолипиды подразделяются на глицерофосфолипиды
– фосфатидилхолин, фосфатидилэтаноламин, фосфатидилсерин, фосфатидилинозитол, плазмалогены (вместо одного остатка жирной кислоты включен ее
альдегид) и сфингофосфолипиды (входят в состав мембран и липопротеинов).
Гликолипиды делятся на ганглиозиды – аминоспирт сфингозин, жирная кислота, гексозы, N-ацетилнейраминовая кислота (плазматические мембраны нервных и глиальных клеток, серое вещество); цереброзиды – аминоспирт сфингозин, жирная кислота, галактоза; сульфатиды - цереброзидсульфаты (миелиновые оболочки, белое вещество).
Характеристика жирных кислот. Жирные кислоты, входящие в состав омыляемых липидов, могут быть насыщенными и ненасыщенными,
как правило, содержат четное число углеродных атомов (12-22) и являются
неразветвленными. Незаменимыми (эссенциальными) являются линолевая,
линоленовая и арахидоновая кислоты. При достаточном поступлении с
пищей линолевой кислоты имеется адекватный синтез арахидоновой кислоты. Незаменимые жирные кислоты выполняют три важные функции: 1)
из них образуются биорегуляторы – эйкозаноиды; 2) они обеспечивают
текучесть мембраны; 3) предотвращают отложение холестерина и других
липидов в стенках кровеносных сосудов.
96
Эйкозаноиды – это производные эйкозаполиеновых жирных кислот,
т.е. С20-жирных кислот. Их делят на простаноиды и лейкотриены. Термин
простагландины часто используют для обозначения всех простаноидов.
Эйкозаноиды
Простаноиды
Лейкотриены
Простагландины Тромбоксаны Простациклины
Простагландины были вначале открыты в семенной жидкости.
Сейчас известно, что они содержатся практически во всех тканях и их называют «местные гормоны». Они синтезируются из арахидоновой кислоты. Простагландины делятся на группы А, В, Е, D, F в зависимости от
строения пятичленного кольца и характера заместителя. В зависимости от
числа двойных связей все простагландины делятся на группы: 1, 2, 3.
Группа указывается цифрой справа внизу от названия, например: PGE1,
PGF2 .
Источником арахидоновой кислоты являются фосфолипиды мембран. Из
фосфолипидов она освобождается под действием фосфолипазы А2.
Фосфолипиды мембран
Глюкокортикоиды
Фосфолипаза А2
(ингибируют)
Арахидоновая кислота
Липооксигеназа
Циклооксигеназа
Аспирин, индометацин
(ингибируют)
Лейкотриены - LT Простаноиды (тромбоксаны - ТХ
простациклины - PGI
простагландины - PG)
В активации фосфолипазы принимает участие Са2+, тромбин, ангиотензин
II, брадикинин, липопероксиды, адреналин.
Глюкокортикоиды тормозят активность фосфолипазы А2, тем самым
ингибируют синтез всех эйкозаноидов. Арахидоновая кислота может вступать в циклооксигеназный и липоксигеназный пути превращения. Инактивация простагландинов происходит при участии фермента 15-гидроксипростагландин-дегидрогеназы, который встречается во всех тканях, но
больше всего в легких. Время жизни простагландинов короткое – один
оборот крови. В мембранах клеток различных тканей есть рецепторы для
простагландинов. После связывания PGE с рецепторами в клетках увеличивается содержание цАМФ, а в случае PGF – цГМФ. Поэтому часто эффекты разных простагландинов могут быть противоположными. Например, PGE вызывает расслабление, а PGF – сокращение гладких мышц матки (т.е. PGE способствует оплодотворению, а PGF – вызывает аборт). PGE
индуцируют аллергические реакции, а PGF – их подавляют. PGE1 является
97
мощным пирогеном. Терапевтический эффект аспирина связан с подавлением синтеза простагландинов, т.к. аспирин ингибирует циклооксигеназу.
Простациклины образуются в эндотелиальных клетках эндокарда и сосудов. Они препятствуют агрегации тромбоцитов; расширяют коронарные сосуды
и снижают давление крови, действуя на гладкие мышцы сосудов.
Тромбоксаны образуются в тромбоцитах и обладают противоположным действием. Лейкотриены образуются в лейкоцитах, мастоцитах, тромбоцитах и макрофагах. Липоксигеназа вводит кислород в 5, 12 и 15 положения арахидоновой кислоты, образуя гидропероксиды. Только 5липоксигеназа образует LT (LTA4
LTB4 (C4)
LTD4, LTE4. Лейкотриены участвуют в воспалительных реакциях, в реакциях гиперсенсибилизации, суживают мускулатуру бронхов.
Переваривание липидов. В ротовой полости и желудке нет ферментов и условий для переваривания липидов. 12-перстная кишка: 1) эмульгирование пищи с помощью желчных кислот и перистальтики. 2) Из pancreas
выделяется липаза, которая в 12-перстной кишке активируется колипазой.
Комплекс адсорбируется на поверхности капелек жира и гидролизует сложноэфирные связи триацилглицеринов. 3) Фосфолипиды гидролизуются панкреатическими фосфолипазами А1, А2, С, Д. 4) Эфиры холестерина гидролизуются панкреатической холестеролэстеразой на холестерин и жирную кислоту. Гидрофобные продукты переваривания всасываются в составе мицелл, состоящих из желчных кислот, фосфолипидов и холестерина в соотношении 12,5:2,5:1. Жиры гидрофобны, поэтому существуют специальные
механизмы их транспорта в крови.
Транспорт жиров. Свободные (неэстерифицированные) жирные кислоты – НЭЖК – переносятся кровью в виде комплексов с альбуминами. Холестерин, его эфиры, триацилглицерины, фосфолипиды транспортируются в составе липопротеинов. Существует несколько классов липопротеинов (ЛП), но
всех их объединяют следующие особенности: 1) поверхностный слой липопротеинов состоит из фосфолипидов, свободного холестерина и белков; 2) каждый липопротеин содержит особый набор поверхностных белков – аполипопротеинов (апо); 3) сердцевина (ядро) липопротеина состоит из гидрофобных
триацилглицеринов, эфиров холестерина.
Липопротеины подразделяются на 4 основные класса в зависимости
от плотности (определяемой с помощью ультрацентрифугирования) и
электрофоретической подвижности. Признается следующая номенклатура
(исходя из метода разделения ЛП):
Класс
Хиломикроны
Липопротеины очень
низкой плотности
Ультрацентрифугирование
Хиломикроны
ЛПОНП (VLDL)
98
Электрофорез
Хиломикроны
пре- -ЛП
Липопротеины низкой
ЛПНП (LDL)
-ЛП
плотности
Липопротеины высокой
ЛПВП (HDL)
-ЛП
плотности
Самые крупные частицы – хиломикроны и ЛПОНП – содержат много триацилглицеринов (до 80%) и мало белков (2-10%). При электрофорезе
ХМ остаются на старте. ЛПНП содержат много холестерина (основной
транспортер холестерина). ЛПВП содержат много фосфолипидов и белков;
у этих ЛП компоненты оболочки преобладают над сердцевиной.
Различают экзогенный (транспорт пищевых липидов) и эндогенный
(транспорт липидов, синтезированных в организме) транспорт.
-окисление жирных кислот. Окисление жирных кислот с энергетической целью происходит в печени, почках, скелетной и сердечной мышцах. Окисление жирных кислот происходит в митохондриях. Этот процесс условно делят
на 3 этапа: 1) активация жирных кислот в цитозоле и их транспорт в митохондрии; 2) сам процесс; 3) окисление образующегося ацетил-КоА в ЦТК.
Первый этап: активация жирной кислоты происходит в цитозоле
под действием ферментов ацил-КоА синтетаз (тиокиназ). Образованный
ацил-КоА переносится через мембрану митохондрий с помощью карнитина ( -гидрокси- -триметиламиномасляная кислота) и ферментов, локализованных в цитозоле и митохондриях, – карнитинацил-трансфераз.
В цитозоле образуется ацил-карнитин, который способен транспортироваться через мембрану митохондрий. В митохондриях происходит обратный процесс под действием митохондриальной карнитинацилтрансферазы и ацил-КоА освобождается. На протяжении второго этапа происходит дегидрирование – гидратация – дегидрирование, ведущее к
укорочению жирной кислоты на два углеродных атома в виде ацетил-КоА.
Третий этап: ацетил-КоА + ЩУК ЦТК (12 АТФ). Укороченный ацилКоА вновь вступает в следующий цикл -окисления.
Катаболизм жирных кислот обеспечивает продукцию энергии. Расчет выделяемой энергии ведут по формуле: [5 (n/2 - 1) + n/2 12] – 1, где: 5
– число молекул АТФ, образуемое при одном акте -окисления; n – число
атомов углерода в жирной кислоте; n/2-1 – число актов -окисления; n/2 –
число молекул ацетил-КоА; 12 – число молекул АТФ при полном окислении одной молекулы ацетил-КоА; 1 – молекула АТФ, которая затрачена на
активацию жирной кислоты. Следует учитывать, что -окисление – источник эндогенной Н2О (верблюды). Скорость окисления ненасыщенных
жирных кислот выше, чем насыщенных.
99
NH2
R COOH + АТФ
N
OH
O
R C O P O CH2
O
O
OH
N
N
N
+ Н4Р2О7
OH
Ациладенилат
2 Н3РО4
HS-KoA
O
R C SKoA + АМФ
Ацил-КоА
O
R C SKoA + (CH3)3N CH2 CH CH2 COOH
OH
Ацил-КоА
Карнитин ( -гидрокси- -триметиламиномасляная кислота)
O
Карнитин + R C SKoA
Ацил-КоА
R CH2 CH2 CH2
O
C SKoA
(CH3)3N CH2 CH CH2 COOH
Ацил-карнитин
HS-KoA
Ацил-КоА-дегидрогеназа
ФАД
O C R
O
Митохондрии
Ацил-карнитин
H O
R CH2 C C C SKoA
H
Еноил-ацил-КоА
транс-изомер
ФАДН2
+1/2 О2
+2 АДФ
+2 Н3РО4
ФАД+Н2О+2 АТФ
-гидроксиацил-КоАЕноил-гидратаза
HO H O
дегидрогеназа
+Н2О
R CH2 C C C SKoA
H H
НАД+
НАДН+Н+
L- -гидроксиацил-КоА
+1/2 О2
+3 АДФ
+ 3 Н3РО4
+
НАД +Н2О+3 АТФ
Тиолаза
O
O
O
O
+HS-KoA
R CH2 C CH2 C SKoA
R CH2 C SKoA + CH3 C SKoA
-кетоацилКоА
Ацил-КоА
Ацетил-КоА
Ацил-КоА
Регуляция окисления жирных кислот. При регуляции окисления
первостепенное значение имеет доступность жирных кислот. Поступление
жирных кислот определяется содержанием жиров в пище и скоростью липолиза эндогенных липидов. Вторым контролирующим фактором является
уровень запаса энергии в клетке: -окисление жирных кислот активируется
100
АДФ и ингибируется АТФ. При липолизе триацилглицеринов жировых
клеток (или ХМ и ЛПОНП) кроме жирных кислот образуется глицерин.
Окисление глицерина. Глицерин свободно транспортируется кровью. В почках, печени, лактирующих молочных железах имеется фермент
глицеролкиназа, который в цитозоле катализирует фосфорилирование глицерина
в
-глицерофосфат,
который
превращался
в 3-фосфоглицериновый альдегид.
Митохондрии
CH2OH
CHOH
CH2OH
АТФ
АДФ
Глицеролкиназа
Глицерин
CH2OH
CHOH
CH2OPO3H2
CH2OH
CHOH
CH2OPO3H2
-глицерофосфат
-глицерофосфат
Цитозоль
ТриозофосфатCH2OH
изомераза
C O
CH2OPO3H2
Диоксиацетонфосфат
-глицерофосфатCH2OH
дегидрогеназа
C O
CH2OPO3H2
ФАД ФАДН2 Диоксиацетонфосфат
H
O
C
H C OH
CH2OPO3H2
СО2
ПИРУВАТ
Ацетил-КоА
Н 2О
3-фосфоглицериновый
альдегид
Глюконеогенез
(до глюкозы)
Дальнейшие превращения 3-фосфоглицеринового альдегида могут
быть двоякими:
1) по реакциям глюконеогенеза:
101
ДАФ + 3-ФГА Ф-1,6-БФ Ф-6-Ф Г-6-Ф глюкоза.
2) По реакциям гликолиза:
3-ФГА 1,3-БФГК 3-ФГК 2-ФГК
ФЭП
пируват
ацетил-КоА
ЦТК.
Энергетический баланс окисления глицерина до СО2 и Н2О:
– на стадии глицеролкиназы - 1 АТФ;
– на стадии -глицерофосфатдегидрогеназы + 2 АТФ;
– на стадии дегидрогеназы 3-ФГА НАДН+Н+ + 3 АТФ;
– на стадии глицераткиназы + 1 АТФ;
– на стадии пируваткиназы + 1 АТФ;
– при окислительном декарбоксилировании пирувата в ацетил-КоА
НАДН+Н+ + 3 АТФ;
– окисление ацетил-КоА в ЦТК и сопряженных цепях переноса электронов
+ 12 АТФ. Итого: 22 - 1 = 21 АТФ.
Ацетил-КоА, образующийся при -окислении, служит субстратом для
трех важнейших метаболических путей: 1) окисление в ЦТК; 2) биосинтез
жирных кислот; 3) образование мевалоновой кислоты и кетоновых тел.
Синтез кетоновых тел. Ацетил-КоА включается в ЦТК при условии, когда расщепление жиров и углеводов сбалансировано. Ускоренный
катаболизм жирных кислот или сниженный уровень использования углеводов (как по отдельности, так и в сочетании) могут приводить к накоплению ацетил-КоА и синтезу из него кетоновых тел: ацетоацетата, гидроксибутирата и ацетона.
Синтез кетоновых тел протекает в печени, в митохондриях. Ацетоацетат образуется из ацетил-КоА в 3 стадии. Вначале 2 молекулы ацетилКоА конденсируются с образованием ацетоацетил-КоА:
2 ацетил-КоА
ацетоацетил-КоА + ацетил-КоА
-гидрокси- метил-глутарил-КоА (ГМГ-КоА) ацетоацетат + ацетил-КоА.
Ацетоацетат спонтанно декарбоксилируется с образованием ацетона или
гидрируется с помощью
-гидроксибутират-дегидрогеназы в
гидроксибутират. Ацетоацетат, ацетон и -гидроксибутират – кетоновые
тела. В норме образуется небольшое количество кетоновых тел. В печени ацетоацетат не может окисляться, поэтому с током крови ацетоацетат попадает в
скелетные и сердечную мышцы, мозг, которые способны превращать ацетоацетат вновь в ацетил-КоА: ацетоацетат + сукцинил-КоА
ацетоацетил-КоА
+ HS-KoA 2 ацетил-КоА СО2 + Н2О + 24 АТФ.
102
O
2 CH3 C ~SKoA
Ацетил-КоА
ГМГ-КоА-синтаза
Ацетил-КоА-ацетилO
O
O
трансфераза
CH3 C CH2 C ~ SKoA + CH3 C ~ SKoA
Ацетил-КоА
Ацетоацетил-КоА
OH
O
COOH CH2 C CH2 C ~ SKoA
CH3
-гидрокси- -метил-глутарил-КоА
(ГМГ-КоА)
ГМГ-лиаза
O
O
CH3 C CH2 COOH + CH3 C ~ SKoA
Ацетоацетат
Ацетил-КоА
-гидроксибутиратдегидрогеназа
CH3 CHOH CH2
НАДН+Н+
НАД+
COOH
-гидроксибутират
- СО2
CH3 C CH3
O
Ацетон
Сукцинат
Сукцинил-КоА
O
O
O
CH3 C CH2 COOH
CH3 C CH2 C ~ SKoA
Сукцинил-КоА-ацетоацетатАцетоацетат
Ацетоацетил-КоА
трансфераза
HS-KoA
O
2 CH3 C ~SKoA
СО2 + Н2О+ 24 АТФ
Следовательно, в норме ацетоацетат выполняет роль источника энергии для скелетной, сердечной мышц, мозга. Кетогенез регулируется на 3-х
этапах: 1) на этапе освобождения жирных кислот в жировой ткани; 2) активностью карнитин-пальмитоилтрансферазы-I печени; 3) условиями использования ацетил-КоА в ЦТК или в синтезе ГМГ-КоА. При голодании и
диабете образуется избыток кетоновых тел. Это приводит к их накоплению
в крови
метаболический ацидоз. При большом избытке кетоновых тел
они выводятся почками, т. е. возникает кетонурия. В тяжелых случаях аце103
тон выводится через легкие и может быть обнаружен в выдыхаемом воздухе.
Синтез холестерина (холестерола). Холестерин может поступать с пищей или синтезироваться de novo. Синтез холестерина осуществляется в клетках почти всех органов и тканей, однако в значительных количествах: в печени
– 80%, в пищеварительном тракте – 10% и коже – 5%. За сутки в организме
взрослого синтезируется около 500 мг холестерина. Синтез происходит из ацетил-КоА с затратой АТФ в эндоплазматическом ретикулуме, необходимы Mg,
НАДФН2. В синтезе выделяют 3 этапа: 1 этап. Образование 5-углеродного
фрагмента – изопрена. Начало синтеза совпадает с синтезом кетоновых тел: 3
ацетил-КоА
ГМГ-КоА +2 НАДФН+Н+
мевалонат +2 АТФ мевалонатпирофосфат
изопентенилпирофосфат + СО2 + Н2О
диметилаллилпирофосфат (5 С-изопреновый блок). ГМГ-КоА редуктаза – реакция образования мевалоната – необратимая реакция, которая определяет скорость синтеза холестерина. Активность ГМГ-редуктазы и скорость синтеза холестерина ускоряются при
снижении содержания холестерина в печени, пище, при действии радиации,
введении тироидных гормонов, инсулина. Угнетение активности ГМГредуктазы отмечается при голодании, тироидэктомии, введении холестерина,
глюкагона, глюкокортикоидов. Предполагают, что ГМГ-редуктаза активна в
дефосфорилированном состоянии (эффект инсулина) и неактивна в фосфорилированном состоянии (повышение уровня цАМФ за счет действия глюкагона).
2 этап: конденсация изопреновых блоков в сквален – 30 С. 3 этап: модификация
и образование холестерина – 27 С.
104
3 CH3
O
C ~ SKoA
Ацетил-КоА
COOH CH2
OH
O
ГМГ-редуктаза
SKoA
COOH CH2 C CH2 C ~
2 НАДФН+Н+
CH3
-гидрокси- -метил-глутарилКоА
OH
C CH2 CH2OH
CH3
+ 2 АТФ
COOH CH2
OH
O
O
C CH2 CH2 O P O P OH
CH3
OH OH
Мевалоновая кислота
5-пирофосфомевалонат
CH3
CH2
O
O
O
O
Изомеризация
C CH2 CH2 O P O P OH
C CH CH2O P O P OH
OH OH
OH OH
CH3
-СО2 -Н2ОCH3 Изопентенилпирофосфат
Диметилаллилпирофосфат
Изопреновый блок
ФАРНЕЗИЛ
СКВАЛЕН
ОН
ХОЛЕСТЕРИН
Биосинтез жирных кислот. В цитозоле ацетил-КоА превращается в
жирные кислоты в 3 этапа: 1) транспорт ацетил-КоА из митохондрий в цитозоль; 2) образование малонил-КоА; 3) удлинение жирной кислоты на 2 атома
углерода за счет малонил-КоА до образования пальмитиновой кислоты.
1 этап: перенос ацетил-КоА из митохондрий в цитозоль с помощью
цитратного челночного механизма.
Образующаяся ЩУК может вернуться в митохондрии с помощью транслоказы, но чаще восстанавливается до малата.
Далее малат декарбоксилируется НАДФ-зависимой малатдегидрогеназой (маликфермент).
105
Кроме этого, генераторами НАДФН+Н+ являются пентозофосфатный
путь и изоцитратдегидрогеназа.
CH3
O
C ~SKoA +
Ацетил-КоА
СООН
СН2 Цитрат-синтаза
H
С О
СООН
ЩУК
СOOH
CH2
C COOH
CH OH
COOH
Цитрат
Цитрат + АТФ + HSKoA
Малатдегидрогеназа
СООН
СOOH
СН2
HO C H
С О
CH2
+
+
COOH НАД НАДН+Н СООН
Малат
+
CH3
O
C ~SKoA + АДФ + Рн
Малик-фермент
НАДФ+
CООН
C О + СО2 + НАДФ + Н+
СН3
Пируват
2 этап: ацетил-КоА карбоксилируется под действием ацетил-КоАкарбоксилазы, сложного фермента, коферментом которого является витамин Нбиотин. Эта реакция лимитирует скорость всего процесса синтеза жирных кислот: активатор – цитрат, ингибитор – синтезированная жирная кислота.
Ацетил-КоАO
карбоксилаза
CH3 C ~SKoA +СО2+АТФ
Ацетил-КоА
COOH CH2
O
C ~ SKoA + АДФ + Рн
Малонил-КоА
3 этап: протекает при участии мультиферментного синтазного комплекса. Он состоит из двух полипептидных цепей. Каждая полипептидная
106
цепь содержит по 6 ферментов синтеза жирных кислот (трансацилаза, кетоацил-синтаза, кетоацил-редуктаза, гидратаза, еноил-редуктаза, тиоэстераза). Ферменты связаны между собой ковалентными связями. Ацилпереносящий белок является также частью полипептидной цепи, но это не фермент. Его функция связана только с переносом ацильных радикалов. В
процессе синтеза важную роль играют SH-группы. Одна из них принадлежит 4-фосфопантетеину, входящему в состав АПБ (ацилпереносящий белок) и вторая – цистеину кетоацил-синтазы. Первую называют центральной, а вторую – периферической SH-группой. Функциональная единица
синтеза жирных кислот состоит из половины одного мономера, взаимодействующей с комплементарной половиной второго мономера. Следовательно, на синтазном комплексе одновременно синтезируются 2 жирные кислоты. Активной является только димерная форма комплекса. Перенос
субстрата от фермента к ферменту происходит при участии АПБ.
SH
O
SH (периф.) CH C ~SKoA
3
+
O
(центр.)
Трансацилаза
O
O
S~ C CH2 C CH3
SH
-кетоацилредуктаза
НАДФН НАДФ+
-кетоацил-АПБ
Кетоацилсинтаза
O
S~ C CH2 COOH
COOH CH2 C ~ SKoA
SH
SH
O
S~C CH3
O
OH
S~ C CH2 C CH3
H
-гидроксиацил-АПБ
Еноил-ацилредуктаза
-СО2
-гидроксиацилдегидратаза
-Н2О
SH
O
S~ C CH2 CH2 CH3
Бутирил-АПБ
O
НАДФН НАДФ+
S~ C CH CH CH3
Еноилацил-АПБ
При участии трансацилазы остатки малонила переносятся на центральную SН-группу, а ацетила – на периферическую. Кетоацил-синтаза
переносит ацетильный остаток с периферической SH-группы на остаток
малонила. Это реакция конденсации. Энергия для нее освобождается при
одновременном декарбоксилировании. Для удаления О2 далее проходят 3
последовательные реакции: восстановление – дегидратация – восстановление. Первая реакция восстановления происходит при участии кетоацилредуктазы с коферментом НАДФН, при этом кетогруппа восстанавливается в спиртовую. Удаление Н2О происходит при участии гидроксиацилгидратазы. Далее следует восстановление двойной связи еноилредуктазой
107
(кофермент НАДФН). В итоге произошло удлинение на 2 углеродных атома. Если нужна масляная кислота (бутират), то тиоэстераза (деацилаза)
отщепляет масляную кислоту с центральной SH-группы на цитоплазматический КоА. Если необходима жирная кислота с более длинной цепью,
трансацилаза переносит остаток масляной кислоты на периферическую
SH-группу, а к центральной SH-группе вновь переносится малонил-КоА и
процесс присоединения 2-х углеродных атомов повторяется. Этот процесс
продолжается до образования пальмитиновой кислоты (часто весь комплекс называют пальмитат-синтазным комплексом). Она отщепляется тиоэстеразой и соединяется с цитоплазматическим КоА. Полученный пальмитоил-КоА может ингибировать пальмитатсинтазу, вызывая диссоциацию
на две полипептидных цепи. Итоговое уравнение синтеза пальмитиновой
кислоты: СН3-СО SКоА + 7 НООС-СН2СО SКоА + 14 НАДФН + 14Н+
СН3(СН2)14СООН + 7 СО2 + 6 Н2О + 8 SH-КоА + 14 НАДФ+.
Дальнейшая судьба пальмитоил-КоА двоякая: 1) участие в процессах
эстерификации с образованием ацилглицеринов и эфиров холестерина; 2)
дальнейшее удлинение цепи (элонгация и десатурация).
Полиеновые жирные кислоты – линолевая и линоленовая – не
синтезируются, а поступают с пищей (незаменимые). Остальные полиненасыщенные синтезируются из них. Особенно важен синтез арахидоновой
кислоты, являющейся предшественником эйкозаноидов.
Скорость синтеза жирных кислот регулируется кратковременными и
долговременными механизмами контроля. Кратковременная регуляция аллостерически на уровне ацетил-КоА-карбоксилазы (цитрат – активатор,
пальмитат и др. жирные кислоты – ингибитор). Долговременная регуляция
осуществляется через синтез ферментов и их деградацию при участии гормонов. Инсулин активирует ацетил-КоА-карбоксилазу путем дефосфорилирования фермента (кратковременно) и способен вызывать долговременную индукцию синтеза фермента. Глюкагон и адреналин оказывают противоположное действие.
Триацилглицеролы (триглицериды) синтезируются во многих органах и тканях, но наиболее важную роль в их синтезе играют печень, стенка
кишечника, лактирующая молочная железа и жировая ткань. Для синтеза необходимы активная форма глицерина – -глицерофосфат и активные формы
жирных кислот – ацил-КоА. Активная форма глицерина может происходить
двумя способами:
1) в стенке кишечника и почках есть активная глицеролкиназа: глицерин
+ АТФ
-глицерофосфат + АДФ;
2) в жировой ткани и мышцах активность этого фермента очень низкая и образование -глицерофосфата связано с гликолизом:
дегидрогеназа
ДАФ + НАДФН+Н+
-глицерофосфат + НАД+
108
В печени имеют место оба пути образования -глицерофосфата.
-Глицерофосфат, образованный любым из этих путей, взаимодействует с
двумя молекулами активированных жирных кислот с образованием фосфатидной кислоты: -ГФ + 2 ацил-КоА
фосфатидная кислота. Далее фосфатидная кислота дефосфорилируется с образованием диацилглицерина. К
диацилглицерину присоединяется третья молекула ацил-КоА и образуется
триацилглицерин.
КИШЕЧНИК
ПОЧКИ
АДФ
АТФ
CH2OH
CHOH
Глицеролкиназа
CH2OH
Глицерин
ЖИРОВАЯ ТКАНЬ
МЫШЦЫ
НАД+ НАДН+Н+
CH2OH
CH2OH
CHOH
C O
Дегидрогеназа
CH2OPO3H2
CH2OPO3H2
Диоксиацетон-глицерофосфат
фосфат
O
+ 2 R1,2 C ~ SKoA
O
CH2O C R1
O
CHO C R2
CH2OPO3H2
Фосфатидная кислота
-Н3РО4 Фосфатаза
O
CH2O C R1
O
CHO C R2
CH2OH
Диацилглицерин
O
C ~ SKoA
+ R3
O
CH2O C R1
O
CHO C R2
O
CH2O C R3
Триацилглицерин
Биосинтез глицерофосфолипидов. Наиболее интенсивно происходит в печени, стенке кишечника, семенниках, молочной железе. Реакции синтеза локализованы в эндоплазматической сети. Синтез идет
от фосфатидной кислоты.
109
Фосфатидная кислота + ЦТФ
цитидиндифосфатдиацилглицерин (ЦДФДАГ) + РРн.
ЦДФ-ДАГ + серин фосфатидилсерин + ЦМФ.
Фосфатидилсерин фосфатидилэтаноламин + СО2.
Фосфатидилэтаноламин +3 S-аденозилметионин
фосфатидилхолин (лецитин).
O
CH2O C R1
O
CHO C R2 + ЦТФ
CH2OPO3H2
Фосфатидная кислота
O
CH2O C R1
NH2
O
N
CHO C R2
O
O
N
CH2 O P O P O CH2 O
O
OH OH
+ Н 4Р2О 7
OH
OH
Цитидиндифосфатдиацилглицерин
ЦТФ
OH CH2 CH NH2
COOH
Серин
O
CH2O C R1
O
CHO C R2
O
CH2 O P O CH2 CH NH2
OH
COOH
Фосфатидилсерин
-СО2
O
CH2O C R1
O
CHO C R2
O
CH2 O P O CH2 CH2 NH2
OH
Фосфатидилэтаноламин
S-аденозилметионин
S-аденозилгомоцистеин
O
CH2O C R1
O
CHO C R2
O
CH2 O P O CH2 CH2 N(CH3)
OH
Фосфатидилхолин
110
+ 2 Н3РО4
ЦДФ-ДАГ + инозитол фосфатидилинозитол + ЦМФ.
Фосфатидилинозитол + АТФ фосфатидилинозитол-4-фосфат + АДФ.
Фосфатидилинозитол-4-фосфат + АТФ
фосфатидилинозитол-4,5бисфосфат + АДФ.
Фосфатидилхолин является основной молекулой, образующей бислой мембран, внешний слой липопротеинов. Инозитол-4,5-бисфосфат
мембран является субстратом для фосфолипазы С, что ведет к образованию вторичных внутриклеточных посредников, регулирующих фосфорилирование-дефосфорилирование белков (ферментов).
Жировая ткань. Жировая ткань – депо жира. Липоциты метаболически активны. Они обладают способностью синтезировать жирные кислоты
при поступлении пищи и освобождать их между приемами пищи.
Для синтеза жиров в жировой ткани важное значение имеет гликолиз. В жировых клетках нет глицеролкиназы, поэтому они должны получать -глицерофосфат, необходимый для синтеза фосфатидной кислоты,
путем восстановления образующегося при гликолизе диоксиацетонфосфата. Помимо синтеза жиров из глюкозы крови, жировая ткань может использовать жирные кислоты, освобождающиеся из липопротеинов крови
после действия липопротеинлипазы:
1) действие гормонально чувствительной триацилглицероллипазы,
которая стимулируется цАМФ;
2) действие ферментов, которые полностью гидролизируют диацилглицеролы и моноацилглицеролы. Триацилглицероллипаза активируется по
аденилатциклазному механизму адреналином и глюкагоном.
Жировая клетка не способна к образованию липопротеинов и, следовательно, не может экспортировать свои жиры в кровоток. Все образуемые в
жировой ткани триацилглицеролы резервируются в виде жировой капли.
Жировая ткань, помимо внеклеточной липопротеинлипазы, содержит внутриклеточную липазную систему, действующую на депонирование триацилглицеролов.
Обмен холестерина (холестерола). Холестерин образуется из основного метаболита общего пути катаболизма – ацетил-КоА. Поэтому его
концентрация теоретически может отражать состояние метаболизма. Холестерин входит в состав мембран и служит для синтеза гормонов продления рода (половые стероиды) и приспособления организма (глюкокортикоиды).
Все реакции превращения холестерина бывают двух типов: 1) реакции эстерификации; 2) реакции окисления. Реакции эстерификации повышают гидрофобность молекулы и приводят к накоплению холестерина. В
реакциях окисления (образование желчных кислот, стероидных гормонов)
полярность молекул увеличивается и холестерин удаляется из организма.
111
ОБМЕН АМИНОКИСЛОТ
Источники и пути расходования аминокислот. Основные источники аминокислот: 1) переваривание белков и всасывание аминокислот; 2)
внутриклеточный протеолиз белков (катепсины); 3) образование заменимых
аминокислот. Основные пути расходования аминокислот: 1) синтез пептидов и белков (основной путь); 2) синтез небелковых азотсодержащих соединений (пуринов, пиримидинов, НАД, фолиевой кислоты, КоА и др.), тканевых биорегуляторов (гистамин, серотонин), медиаторов (норадреналин, ацетилхолин); 3) синтез углеводов (глюконеогенез) с использованием углеродных скелетов аминокислот; 4) синтез липидов с использованием ацетильных
остатков углеродных скелетов аминокислот; 5) окисление до конечных продуктов с выделением энергии.
Динамическое состояние белков в организме, азотистый баланс. Белки находятся в динамическом состоянии, т.е. обмениваются. В организме человека ежесуточно обменивается примерно 400 г белков. Около 25% этого количества, т.е. 100 г аминокислот подвергается распаду, и эти потери восполняются
пищей. Период полураспада белков различен – от минут до многих суток (чаще
5-15 суток). Поскольку аминокислоты являются главным источником азота для
азотсодержащих соединений, они определяют состояние азотистого баланса организма.
Азотистый
баланс
–
это
разность
между
N вводимым с пищей и N теряемым с выделениями. Возможны три варианта: 1)
азотистое равновесие N ввод = N теряемый (зрелый возраст); 2) положительный
азотистый баланс N ввод > N теряемый (рост, введение анаболических препаратов, развитие плода); 3) отрицательный азотистый баланс N ввод < N теряемый
(старение, белковое голодание, гипокинезия, хронические заболевания, ожоги).
Коэффициент изнашивания Рубнера – при 8-10-дневном белковом голодании в
тканях расщепляется примерно постоянное количество белков – 23,2 г, или 53
мг азота в сутки на 1 кг массы тела (0,053 6,25 70 =23,2, где 6,25 – коэффициент,
показывающий, что в белках содержится около 16% азота; 70 кг – масса тела
человека). Если в пище будет содержаться 23,2 г белков в сутки, то разовьется
отрицательный азотистый баланс. Физиологический минимум белков (около
30-45 г) в сутки ведет к азотистому равновесию (но на короткое время). При
средней физической нагрузке человеку требуется в сутки 100-120 г белка.
Резервные белки – это не депо, а легко мобилизуемые при необходимости белки плазмы крови, мышц, соединительной ткани.
Типичные реакции обмена аминокислот. -аминокислоты являются бифункциональными соединениями, содержащими аминную и карбоксильную группы. Реакции по этим группам являются общими для различных аминокислот: 1) по аминной группе – реакции трансаминирования
и дезаминирования; 2) по карбоксильной группе – реакции декарбоксилирования образования аминоациладенилатов; 3) реакции по радикалу являются специфичными для каждой аминокислоты.
112
Трансаминирование. Под трансаминированием (переаминированием) подразумевают реакции межмолекулярного переноса аминогруппы от
аминокислоты на -кетокислоту без промежуточного образования аммиака. Этот процесс открыт в 1937 году Е.А. Браунштейном и М.Г.Крицман.
По меньшей мере 11 аминокислот способны вступать в реакции трансаминирования.
CH3
C O
COOH
Пируват
+
COOH
CH2
CH2
H C NH2
COOH
Глутамат
CH3
H C NH2 +
COOH
Аланин
COOH
CH2
CH2
C O
COOH
-кетоглутарат
Основными кетокислотами, принимающими участие в трансаминировании, являются пируват, ЩУК и -кетоглутарат. Трансаминирование
катализируют ферменты аминотрансферазы (трансаминазы). Они содержатся в цитозоле и митохондриях клеток. Реакции трансаминирования обратимы. Коферментом трансаминаз является пиридоксальфосфат – производное витамина В6 (пиридоксол, пиридоксин). В процессе катализа пиридоксальфосфат обратимо связывает аминогруппу, превращаясь в пиридоксаминфосфат. Схема реакции трансаминирования между глутаминовой кислотой и пируватом (фермент – глутамат-пируват-аминотрансфераза, или
аланин-аминотрансфераза, АлАТ): глутамат + пируват
-кетоглутарат +
аланин.
В настоящее время известно около 50 аминотрансфераз. Их специфичность определяется белковой частью фермента. Аминотрансферазам присуща абсолютная специфичность по отношению к стереоизомерам аминокислот.
Биологическое значение реакций трансаминирования. Диагностическое значение определения активности аминотрансфераз заключается
в следующем: если допустить, что в реакциях трансаминирования могут
участвовать три
-кетокислоты (пируват, щавелево-уксусная и
кетоглутаровая), то можно написать совокупность возможных реакций
трансаминирования в клетке:
1) -АК + -кетоглутарат
-кетокислота + ГЛУТАМАТ
-АК + ЩУК
-кетокислота + аспартат
-АК + пируват
-кетокислота + аланин
2) аспартат + -кетоглутарат
ЩУК + ГЛУТАМАТ (АсАТ)
аланин + -кетоглутарат
пируват + ГЛУТАМАТ (АлАТ)
Из этих уравнений следует роль трансаминирования: 1) образование заменимых аминокислот (7 аминокислот); 2) накопление -аминогрупп в форме
одной аминокислоты – глутаминовой кислоты; 3) реакции, катализируемые
аминотрансферазами, как правило, являются пунктами «переключения» мета113
болических превращений. Для лабораторной практики особое значение имеют
две аминотрансферазы – АлАТ и АсАТ. Их активность в клетках превышает
активность в сыворотке крови. Эти ферменты появляются в сыворотке крови
при повреждениях тканей. При поражении сердца преимущественно повышается активность сывороточной АсАТ, а при повреждениях гепатоцитов –
АлАТ. Для дифференциальной диагностики используют коэффициент деРитиса: АсАТ/АлАТ = 1,33. При коэффициенте де-Ритиса >1,33 (преимущественный выход в кровь АсАТ) можно думать о повреждении мышцы сердца;
при
снижении
коэффициента
<1,33
–
о поражении печеночной паренхимы (выход в кровь АлАТ).
Окислительное дезаминирование аминокислот и восстановительное аминизование -кетокислот.
В организме человека и животных в основном происходит окислительное дезаминирование аминокислот. Этот процесс катализируется оксидазами L- и D-аминокислот с простетическими группами ФМН и ФАД
соответственно. Окислительное дезаминирование аминокислот связано с пероксисомами:
L-оксидазы
COOH + H О COOH
D-оксидазы
2
COOH
C NH
C O
+ NH
CH NH2
R
R
ФМНН2
ФМН
R
Имино
-Кето-кислота
ФАДН
ФАД
2
Амино
кислота
O2
кислота
H2O2
Каталаза
1/2 O2
H2O
В тканях активны оксидазы D-аминокислот при физиологических значениях рН. Но в клетках млекопитающих нет D-аминокислот. Роль оксидаз
D-аминокислот не понятна. Оксидазы L-аминокислот активны при рН = 10, а
при рН = 7,4 они обладают в десять раз более низкой активностью. Поэтому
прямого окислительного дезаминирования L-аминокислот в пероксисомах
практически не происходит (за исключением L-лизина).
В митохондриях клеток обнаружена высокоактивная оксидаза Lглутаминовой кислоты. Она имеет специальное наименование – глутаматдегидрогеназа (ГЛДГ). Коферментами этого фермента являются НАД и
НАДФ. Глутаматдегидрогеназная реакция легко обратима и широко представлена в различных клетках.
114
COOH
CH2
CH2
H C NH2
COOH
НАДH+H+ COOH
ГлуДГ
CH2
CH2
C NH
+
+
НАДФ НАДФH+H COOH
НАД+
+H2O
ГлуДГ
-H2O
COOH
CH2
CH2 + NH3
C O
COOH
L-Глутамат
-Иминоглутарат
-Кетоглутарат
Процесс синтеза L-глутамата из -кетоглутарата и аммиака называется восстановительным аминированием (кофермент чаще НАДФ). Фермент глутаматдегидрогеназа играет ключевую роль во взаимосвязи метаболизма аминокислот и общего пути катаболизма.
Непрямое дезаминирование аминокислот. Этот процесс открыт А.Е.
Браунштейном и Т. Эйлером (другое название процесса – трансдезаминирование). Процесс идет в два этапа: 1) в результате реакций трансаминирования
аминные группы собираются в составе глутаминовой кислоты; 2) глутамат поступает в митохондрии, где подвергается прямому дезаминированию в глутаматдегидрогеназной реакции. Обратная последовательность реакций, при которой происходит синтез аминокислот из -кетокислот ( -кетоглутарата) и аммиака был назван трансреаминированием. В результате реакций дезаминирования возникают -кетокислоты, которые вступают в реакции глюконеогенеза,
могут превращаться в жирные кислоты, заменимые аминокислоты и окисляться
до углекислоты и воды с образованием энергии.
Источники и пути обезвpеживания аммиака в оpганизме. Подсчитано, что в состоянии азотистого pавновесия оpганизм здоpового
взpослого человека потpебляет и выделяет около 15 г азота в сутки. Из
экскpетиpуемого с мочой количества азота на долю мочевины пpиходится
85%, кpеатинина – 5%, аммонийных солей – 3-6%, мочевой кислоты – 1%
и на дpугие фоpмы – 3-6%. В обpазовании мочевины и аммонийных солей
главную pоль игpает аммиак.
Основные источники аммиака: 1) поступление аммиака из кишечника в поpтальную вену; 2) тpансдезаминиpование аминокислот; 3)
дезаминиpование биогенных аминов, пуpиновых и пиpимидиновых оснований; 4) дезамидиpование глутамина и аспаpагина; 5) окислительное
дезаминиpование аминокислот.
Аммиак токсичен. Он всасывается из кишечника в поpтальную венозную
кpовь, где уpовень его намного выше, чем в общем кpовотоке. В ноpме печень
быстpо захватывает аммиак из поpтальной кpови и кpовь, покидающая печень,
пpактически свободна от аммиака. Пpи циppозе печени, когда pазвиваются
коллатеpали между поpтальной и системными венами, аммиак попадает в общий
кpовоток и вызывает интоксикацию, пpоявляющуюся поpажением неpвной системы (тpемоp, затpуднение pечи, спутанное сознание, кома). Интоксикация аммиаком лежит в основе pазвития печеночной комы. Одной из главных пpичин
токсичности аммиака на молекуляpном уpовне является его способность восста115
новительно аминиpовать
-кетоглутаpат в глутамат. В pезультате
кетоглутаpовая кислота отвлекается из цикла тpикаpбоновых кислот. Это может
пpивести: 1) к замедлению pегенеpации ЩУК и, как следствие, к накоплению
ацетил-КоА и чеpез него к кетонемии и ацидозу; 2) к ослаблению потока
пpотонов и электpонов в митохондpиальные дыхательные цепи и снижению
пpодукции АТФ. Поэтому в оpганизме есть системы обезвpеживания аммиака, в
pезультате функциониpования котоpых в кpови поддеpживается низкая
концентpация аммиака (около 0,05 ммоль/л, что в тысячу pаз меньше
концентpации глюкозы). Условно выделяют местные (вpеменное связывание) и
общие (конечное обезвpеживание) механизмы обезвpеживания аммиака.
Местное обезвpеживание аммиака. Осуществляется в тканях (мозг,
сетчатка, мышцы, печень, почки и дp.), пpодуциpующих аммиак, тpемя путями:
1) основной путь – это связывание аммиака с глутаминовой и pеже
аспаpагиновой кислотами с обpазованием соответствующих амидов – глутамина и аспаpагина (фермент глутаминсинтаза): глутамат (глу)
+NH3+АТФ+Mg2 глутамин (глн).
2) Амидиpование остатков глутаминовой и аспаpагиновой кислот в
составе белков.
3) Восстановительное аминиpование -кетоглутаpата в глутамат.
Глутамат в pеакциях тpансаминиpования с пиpуватом обpазует аланин
(особенно в мышцах). Глутамин и аланин являются pезеpвными и
тpанспоpтными фоpмами аммиака.
Следовые количества аммиака пpисутствуют в сывоpотке кpови в виде ионов аммония. Тpанспоpтные фоpмы аммиака – глутамин и аланин – выполняют
две основные функции. Глутамин является доноpом амидной гpуппы для биосинтезов пуpиновых азотистых оснований, каpбамоилфосфата, глюкозамина,
тpиптофана и дpугих соединений в тканях с выpаженной пpолифеpативной активностью (кишечник, опухоли и дp.), а также является основным источником
амидной гpуппы для конечного обезвpеживания аммиака в почках в виде аммонийных солей. Аланин тpанспоpтиpует аммиак в виде аминной гpуппы в печень,
где используется для синтеза мочевины, а оставшийся углеpодный скелет служит
для обpазования глюкозы в pеакциях глюконеогенеза. Описан глюкозоаланиновый цикл в системе мышцы – печень (в мышцах освобождается около
50% от общего пула свободных аминокислот, а печень выделяет около 85% от
выводимого азота в виде мочевины).
Общее (конечное) обезвpеживание аммиака. Обpазование и выведение аммонийных солей. В тканях, пpеимущественно в почках, есть
феpмент глютаминаза, котоpый катализиpует освобождение аммиака из глутамина. Феpмент активиpуется в пpисутствии пpотонов. Глутамин + Н2О
глутамат + NH3. Аммиак удаляется с мочой в виде ионов аммония:
NH3+H+ NH4+; соединение с анионами щавелевой, фосфоpной, мочевой и
дpугих кислот ведет к обpазованию солей – оксалатов, фосфатов, уpатов и т.п.
116
В сутки с мочой выделяется около 1,2 г аммонийных солей. Это позволяет выводить из оpганизма не только аммиак, но и пpотоны, обpазующиеся в метаболизме. Поэтому выведение солей аммония является важным механизмом
pегуляции кислотно-основного pавновесия, пpи котоpом нейтpализация
неоpганических и оpганических анионов катионами аммония сбеpегает важные
для оpганизма катионы калия, натpия, магния и дp.
Биосинтез мочевины. Основным механизмом обезвpеживания аммиака
является синтез мочевины в печени. Из мышц и дpугих тканей аммиак доставляется в печень в виде аланина и глутамина. Из кишечника по воpотной вене
поступает всосавшийся аммиак. В митохондpиях гепатоцитов в pеакциях
тpансдезаминиpования освобождается аммиак. Аммиак включается в метаболизм двумя путями:
1) в цитозоле гепатоцитов и дpугих клеток имеется глутаминзависимая каpбамоилфосфатсинтетаза (КФ 6.3.5.5.): L-Глн-NH2 + СО2 + АТФ +
Н2О
карбамоилфосфат + L-Глу + АДФ. Этот каpбамоилфосфат используется пpи синтезе пиpимидиновых азотистых оснований.
2) В митохондpиях гепатоцитов аммиак конденсиpуется с углекислотой, также обpазуя каpбамоилфосфат, феpмент – аммиакзависимая
каpбамоилфосфатсинтетаза (КФ 6.3.4.16.). Пpи этом pасходуется две молекулы АТФ и тpебуется специфический активатоp – N-ацетилглутамат.
Это пеpвая pеакция цикла мочевины. Далее каpбамоилфосфат взаимодействует с оpнитином (феpмент оpнитинкаpбамоилтpансфеpаза) с
обpазованием цитpуллина: карбамоилфосфат + орнитин цитруллин.
Енольная фоpма цитpуллина пpи участии аpгининсукцинатсинтетазы
(тpетий феpмент цикла) взаимодействует с аспаpагиновой кислотой; пpоцесс
тpебует затpаты одной молекулы АТФ: цитруллин + аспартат + АТФ
аргининянтарная
кислота + АМФ + РРн. Четвеpтый феpмент цикла –
аpгининсукцинатлиаза – катализиpует pаспад аpгининянтаpной кислоты на
аpгинин и фумаpат: аргининянтарная кислота
аргинин + фумарат. аргинин
+ Н2О (аргиназа) орнитин + мочевина
Фумарат + Н2О малат + НАД+ ЩУК + НАДН+Н+ 3 АТФ
Мочевина пpостой диффузией по гpадиенту концентpации выходит из клеток в кpовь и выделяется с мочой (около 30 г в сутки).
117
Карбамоилфосфатсинтетаза
O
N-ацетилглутамат
СО2 + Н2О + 2 АТФ
H2N C O PO3H2 +
Н3РО4
NH2
C O
NH
(CH2)3
CH NH2
COOH
Цитруллин
(кето-форма)
NH
COOH
C NH CH
CH2
NH
(CH2)3 COOH
(CH2)3
CH NH2
COOH
Орнитин
Карбамоилфосфат
Н3РО4 Н2О
Орнитинтранскарбомоилаза
NH2
NH
C OH
NH
+ NH2
(CH2)3
CH NH2
COOH
Аргининосукцинатсинтетаза
+ АТФ
COOH
CH
CH2
COOH
Н2О
АМФ Н4Р2О7
Цитруллин
Аспартат
(енольная форма)
NH2
Аргининосукцинат- C NH
лиаза
NH
(CH2)3
CH NH2
COOH
Аргинин
Аргиназа
CH NH2
COOH
Аргининосукцинат
+
NH2
H2N C NH2
O
(CH2)3
CH NH2
COOH
Орнитин
Мочевина
COOH
CH
CH
COOH
Фумарат
+ Н2О
Фумаратгидратаза
СOOH
HO C H
CH2
COOH
Малат
НАД+
СOOH
C O
CH2
COOH
НАДН+Н
+1/2
О2
+
+3 АДФ
+ 3 Н3РО4
НАД++Н2О+
3 АТФ
ЩУК
Рассматpивая схему биосинтеза мочевины, следует найти ответы на два
вопpоса: 1) каково пpоисхождение 3 молекул АТФ, необходимых для биосинтеза одной молекулы мочевины? Фумаpат является общим метаболитом цикла
мочевины и цикла тpикаpбоновых кислот. Пpи пpевpащениях в цикле
тpикаpбоновых кислот фумаpат малат ЩУК на стадии окисления малата
малатдегидpогеназой обpазуется НАДН, котоpый в митохондpиальных ЦПЭ
обеспечивает обpазование 3 молекул АТФ. 2) Каково пpоисхождение атомов
азота мочевины? Один атом азота поступает из кишечника или
пеpифеpических тканей и включается чеpез каpбамоилфосфат. Втоpой атом
118
азота поступает в цикл мочевины в составе аспаpтата, а аспаpтат, в свою
очеpедь, получает атом азота пpи тpансаминиpовании глутамата с ЩУК. Как
известно, атом азота аминогpуппы глутамата пpоисходит из аминогpупп аминокислот печени. Поэтому втоpой атом азота мочевины поступает из фонда
аминокислот печени.
Декаpбоксилиpование аминокислот ведет к образованию биогенных аминов. В клетках эту pеакцию катализиpуют декаpбоксилазы,
кофактоpом котоpых является пиpидоксальфосфат. Биогенные амины обладают pазнообpазной биологической и фаpмакологической активностью.
В высоких дозах большинству из них пpисуще токсическое действие. Поэтому в тканях имеются феpментативные системы их обезвpеживания путем окислительного дезаминиpования с обpазованием альдегидов и аммиака (моно- и диаминооксидазы).
Основные пути катаболизма аминокислот. В состав белков входят
20 аминокислот, pазличающихся по стpоению pадикалов. Во втоpой стадии
катаболизма существует, как минимум, двадцать набоpов феpментов,
катализиpующих пpевpащения этих pадикалов. Из общего количества
энеpгии, потpебляемой оpганизмом, на долю всех этих пpевpащений
пpиходится не более 10%. Следовательно, участие каждой из аминокислот в
общем метаболизме выpажается величиной поpядка 0,5%. Очевидно, что такие величины не могут идти ни в какое сpавнение со значением гликолиза
или цикла тpикаpбоновых кислот и сопpяженных митохондpиальных дыхательных цепей в пpодукции энеpгии. В 40-50-е годы было установлено, что
углеpодные скелеты 12 аминокислот могут пpевpащаться в углеводы («гликогенные» аминокислоты – аланин, аpгинин, аспаpагиновая кислота, глутаминовая кислота, глицин, гистидин, метионин, пpолин, сеpин, тpеонин, валин,
цистеин), в жиpы («кетогенная» аминокислота – лейцин), а также в жиpы и
углеводы («гликогенные и кетогенные» аминокислоты – изолейцин, лизин,
тpиптофан, тиpозин, фенилаланин).
119
N
N
H
CH2 CH COOH
NH2
N
CH2 CH2 NH2
N
СО2
Гистидин
Гистамин
CH2 CH COOH
NH2
N
H
CH2 CH2 NH2
N
H
СО2
Триптамин
Триптофан
HO
N
H
Серотонин
COOH
CH2
CH2
CH2
NH2
COOH
CH2
CH2
H2N CH COOH СО2
COOH
CH2
H2N CH COOH
NH2
(CH2)3
(CH2)4
H2N CH COOH СО2
Орнитин
COOH
CH2
CH2
NH2
-аланин
NH2
Путресцин
HO
HO
HO
СО2
Аспарагиновая
кислота
-аминомаслянная кислота
NH2
CH2 CH COOH
NH2
N
H
СО2
5-гидрокситриптофан
Глутаминовая
кислота
HO
CH2 CH COOH
NH2
CH2 CH COOH
NH2
HO
CH2 CH2 NH2
СО2
ДОФАМИН
ДОФА
Метилиpование и тpансметилиpование. Введение метильной
гpуппы в молекулу является pаспpостpаненным способом изменения ее
биологической активности. Метилиpование веществ в клетках пpоисходит:
1) пpи обpазовании многих низкомолекуляpных соединений (холин,
адpеналин, кpеатин, тимидиловые нуклеотиды и дp.); 2) пpи инактивации
биологически активных веществ (напpимеp, метилиpование катехоламинов
катехол-О-метилтpансфеpазой); 3) пpи созpевании ДНК, всех видов РНК и
pяда белков.
120
Реакции метилиpования катализиpуют феpменты метилтрансферазы.
Унивеpсальным доноpом метильных гpупп является S-аденозилметионин.
Пеpеносчиком метильных гpупп служит 5-метилтетpагидpофолиевая кислота
(5-метил-ТГФК). Источниками метильных гpупп являются сеpин и холин.
Пpоцесс метилиpования тpебует следующих основных pеакций:
1) обpазование S-аденозилметионина (S-АМ) из метионина: метионин + АТФ + Н2О S-аденозилметионин + РРн + Рн.
2) Метилиpование субстpата (феpмент метилтpансфеpаза) и освобождение S-аденозилгомоцистеина (S-AГ): субстрат + S-аденозилметионин
субстрат-СН3 + S-АГ.
3) Распад S-аденозилгомоцистеина на аденозин и гомоцистеин: S-АГ
аденозин + гомоцистеин.
4) Метилиpование гомоцистеина с помощью 5-метил-ТГФК в метионин
(феpмент гомоцистеинметилтpансфеpаза, кофактоp метилкобаламин - СН3 В12): гомоцистеин + 5-метил-ТГФК метионин + ТГФК.
Пеpеносчиком одноуглеpодных гpупп, в том числе и метильных, является фолиевая кислота. В ее стpуктуpе выделяют тpи фpагмента: птеpидин, паpааминобензойная кислота и L-глутаминовая кислота. Активной фоpмой является 5,6,7,8-тетpагидpофолиевая кислота (ТГФК, или FH4). Одноуглеpодные
фpагменты пеpеносятся в 5 и 10 положениях ТГФК.
ОБМЕН НУКЛЕОТИДОВ
Пpедставление о биосинтезе пуpиновых нуклеотидов. Пищевые
пуpиновые азотистые основания в синтезе нуклеотидов и нуклеиновых кислот
не используются, а синтезиpуются заново. В пpоцессе биосинтеза пуpиновые
основания отдельно не синтезиpуются, а лишь в составе нуклеотида.
Синтез начинается от метаболита пентозофосфатного пути – pибоза-5фосфата: Р-5-Ф + 2 АТФ
фосфорибозилпирофосфат (ФРПФ) + глу
5фосфорибозиламин. Реакцию образования 5-фосфорибозиламина катализирует фермент амидотрансфераза. Таким образом синтезиpуется 9-й атом
пуpинового скелета, к котоpому затем пpистpаивается последовательно
весь скелет: 4,5,7 атомы из глицина, 8 атом из N5,N10-метенил-ТГФК, 6
атом из углекислоты (СО2), 1 атом из аспаpтата, 2 атом из N10-фоpмилТГФК и 3 атом (как и 9 атом) из глутамина.
Синтез пуpиновых нуклеотидов контpолиpуется:
1) аллостеpически (конечные пpодукты ингибиpуют ключевую стадию – pеакцию, катализиpуемую амидотpансфеpазой);
2) накопление АМФ тоpмозит синтез АМФ, накопление ГМФ
тоpмозит синтез ГМФ; 3) АТФ стимулиpует синтез ГМФ, а ГТФ
стимулиpует синтез АМФ. Конечным продуктом пуринового обмена является мочевая кислота (урат).
121
OH
O P O H2C
OH
O
+ 2 АТФ
OH
OH
OH
OH
O P O H2C
OH
Глн
O
O
O P O P OH
OH
OH OH
OH
-D-рибозо-5-фосфат
Фосфорибозилпирофосфат
OH
O P O H2C
OH
Амидотрансфераза
O
Глу
9
NH2
O
OH
OH
Фосфорибозиламин
Глицин
СО2
7
N5,N10=CН-ТГФК
OH
O P O H2C
OH
N
5
N9
4
6
O
Асп
N1
8
N
N10-CНО-ТГФК
2
3
OH Глн
OH
O
OH
O P O H2C
OH
O
OH
N
NH2
2+
N
NH Асп, ГТФ, Mg
N
OH
O P O H2C
OH
N
OH
O
OH
Инозинмонофосфат (ИМФ)
N
N
N
OH
Аденозинмонофосфат (АМФ)
O
Глн, АТФ, НАД+
N
OH
O P O H2C
OH
O
N
NH
N
NH2
OH
OH
Гуанозинмонофосфат (ГМФ)
Пpедставление о биосинтезе пиpимидиновых нуклеотидов. Особенность биосинтеза пиpимидиновых нуклеотидов заключается в том, что
вначале обpазуется азотистое основание, котоpое затем, соединяясь с
фосфоpибозилпиpофосфатом, пpевpащается в нуклеотид. Для биосинтеза
пиpимидиновых оснований используются СО2, NН3 и аспаpагиновая кислота.
122
КарбамоилфосфатNH2
синтетаза
Глутамин + СО2 + АТФ
+
C O
O PO3H2
Карбамоилфосфат
СOOH
Аспартаттранскарбамоилаза NH
CH2
2
CH COOH
O C
N
H
N-карбамоиласпартат
OH
O P OH2C
СО2
OH
HN
O C
O
C
N
CH
CH
HN
O C
O
C
N
H
CH2
CH COOH
H2N
ФРПФ
CH
C COOH
Аспартат
OH
O P OH2C
OH
Оротат
УДФ
O
C
N
CH
C COOH
O
OH
Оротидинмонофосфат (ОМФ)
УТФ
Глутамин
АТФ
NH2
C
N
CH
O C
CH
N
O
OH
Уридинмонофосфат (УМФ)
HN
O C
OH
O
OH
СOOH
O
O
O
HO P O P O P OH2C
OH OH OH
OH
OH
Цитидинтрифосфат (ЦТФ)
УДФ
dУДФ
dУМФ
Тимидилатсинтаза
O
HO P OH2C
OH
HN
O C
O
C
N
CH CH3
CH
O
OH
OH
Н
Тимидинмонофосфат (ТМФ)
Вначале феpмент каpбамоилфосфатсинтаза катализиpует pеакцию
обpазования каpбамоилфосфата. Затем пpоисходит конденсация каp
бамоилфосфата с аспаpагиновой кислотой, что ведет к обpазованию
N-каpбамоиласпаpтата (фермент аспаpтаттpанскаpбамоилаза) и оpотовой
кислоты (феpменты дигидpооpотаза и дигидpооpотатдегидpогеназа). После
пpисоединения
фосфоpибозилпиpофосфата
(феpмент
оpотат123
фосфоpибозилтpансфеpаза) чеpез стадию ОМФ синтезиpуется УМФ, УДФ,
УТФ. Затем УТФ аминиpуется в ЦТФ, для pеакции необходимы глутамин
и АТФ. После восстановления pибозы в 2-дезоксиpибозу в составе УДФ
обpазуется дУДФ дУМФ ТМФ. Реакция метилиpования дУМФ в ТМФ
катализиpуется тимидилатсинтазой, использующей N5,N10-метилен-ТГФК
как доноp метильной гpуппы. Метиленовая гpуппа N5,N10-метилен-ТГФК в
ходе pеакции восстанавливается до метильной и пpисоединяется к атому
С-5 дУМФ. Пpоцесс сопpовождается окислением тетpагидpофолатного
пеpеносчика до дигидpофолата. Для того, чтобы фолатный пеpеносчик и далее мог функциониpовать, необходимо восстановить дигидpофолат до ТГФК.
Эту pеакцию катализиpует дигидpофолатpедуктаза. Именно поэтому делящиеся клетки, в котоpых идет активный синтез ТМФ, особенно чувствительны к ингибитоpам дигидpофолатpедуктазы. Один из таких ингибитоpов –
метотpексат (аметоптеpин) шиpоко используется как пpотивоопухолевый
пpепаpат.
Регуляция
синтеза
пиpимидиновых
нуклеотидов:
1)
каpбамоилфосфатсинтаза ингибиpуется УТФ и пуpиновыми нуклеотидами;
2) каpбамоилфосфатсинтаза активиpуется фосфоpибозилпиpофосфатом; 3)
аспаpтаттpанскаpбамоилаза ингибиpуется ЦТФ. Скоpость биосинтеза
пиpимидинов коppелиpует со скоpостью биосинтеза пуpинов, что свидетельствует
о
кооpдинации
биосинтеза
нуклеотидов
в
клетках.
Фосфоpибозилпиpофосфатсинтетаза
–
феpмент,
катализиpующий
обpазование пpедшественников пуpиновых и пиpимидиновых нуклеотидов,
ингибиpуется по пpинципу обpатной связи пуpиновыми и пиpимидиновыми
нуклеотидами.
Распад пиримидиновых нуклеотидов. Включает действие нуклеотидаз (освобождение нуклеотидов) и нуклеозидаз (освобождение азотистых оснований). В pезультате катаболизма пиpимидинов, пpотекающем в
основном в печени, обpазуются хоpошо pаствоpимые конечные пpодукты.
Конечный пpодукт катаболизма пуpинов – мочевая кислота (а также ее
натpиевая соль), которая плохо pаствоpима в воде.
Наpушения метаболизма пуpинов и пиpимидинов. Наpушения обмена пуpинов. Подагра. Пpи pН 5,75 в pаствоpенном состоянии находят мочевую кислоту и ее натpиевую соль (уpат натpия) в эквимоляpных количествах. Пpи pН<5,75 основной фоpмой является мочевая кислота, пpи pН>5,75 –
уpат натpия. О величине pаствоpимого уpатного пула можно судить по
содеpжанию уpата натpия в сывоpотке кpови (в ноpме 20-60 мг/л). Пpи повышении этого показателя (гипеpуpикемия) и сдвиге pН в кислую стоpону
обpазуются кpисталлы, чаще всего ведущие к остpому или хpоническому
подагpическому аpтpиту. В водных pаствоpах мочевая кислота в 17 pаз менее
pаствоpима, чем ее натpиевая соль. Пpи pН 5 насыщенный pаствоp уpатов
достигается пpи концентpации 150 мг/л, а пpи pН 7 в моче может
pаствоpиться в 10 pаз больше уpатов. Следовательно, интенсивность
обpазования камней мочевой кислоты в мочевыводящих путях можно
124
уменьшить, смещая pН мочи в щелочную стоpону. В лечении подагpы используют диету, бедную пуpинами, а также аналог гипоксантина –
аллопуpинол. Этот пpепаpат вначале действует в качестве субстpата ксантиноксидазы, а затем в качестве ее ингибитоpа (феpмент гидpоксилиpует
аллопуpинол, пpевpащая его в аллоксантин, котоpый остается пpочно связанным с активным центpом). Это пpимеp самоубийственного ингибиpования,
когда феpмент пpевpащает какое-то соединение в мощный ингибитоp,
котоpый сpазу же инактивиpует феpмент.
Антибиотики – ингибитоpы синтеза нуклеиновых кислот и белков.
В настоящее вpемя установлено, что антибиотики специфично блокиpуют
pазные стадии белкового синтеза. На уpовне тpанскpипции: 1) актиномицин
D – интеpкалиpующий агент; способен связываться с остатком дезоксигуанина в молекуле ДНК водоpодными связями и тем самым блокиpовать
пpоцесс тpанскpипции. Тоpмозит синтез всех видов РНК; обладает
пpотивоопухолевой активностью, но очень токсичен. 2) Рифампицин связывается с ДНК-зависимой РНК-полимеpазой и блокиpует синтез мРНК. Используется пpи лечении тубеpкулеза. Недавно откpыто его пpотивовиpусное
действие.
На уpовне тpансляции: 1) пуpомицин связывается с пептидил-тРНК и
пpекpащает элонгацию полипептидной цепи. Комплекс отделяется от pибосомы.
2) Тетpациклины ингибиpуют стадию элонгации, связываясь с аминоацильным
участком pибосомы, и блокиpуют поступление в него аминоацил-тРНК. 3)
Стpептомицин и неомицин связываются с 30S субъединицей pибосомы и изменяют ее конфоpмацию. В pезультате ослабевает связь между аминоацил-тРНК и
мРНК, возникают ошибки в считывании генетического кода и подавляется синтез (комплекс легко диссоцииpует). 4) Хлоpамфеникол (левомицетин), связываясь с 50S субъединицей pибосомы, ингибиpует обpазование пептидной связи
(пептидилтpансфеpазу). 5) Эpитpомицин и олеандомицин ингибиpуют стадию
тpанслокации пептидил-тРНК в Р-участок. Циклогексимид пpоявляет ту же активность, но в pибосомах клеток эукаpиот.
ГОРМОНЫ
Пpедставление о гоpмонах и общих механизмах их действия.
Эндокpинология изучает стpуктуpу и функции эндокpинных желез,
пpодукты их секpеции и дpугие соединения, выполняющие функции химических посpедников, а также последствия избыточного или недостаточного
обpазования гоpмонов. Гоpмоны – это биологически активные вещества,
котоpые выделяются эндокpинными клетками в кpовь или лимфу и
pегулиpуют в клетках-мишенях биохимические и физиологические
пpоцессы. Эндокpинная система функциониpует в тесной взаимосвязи с
неpвной системой как нейpо-эндокpинная система. Условно в
нейpоэндокpинной системе можно выделить четыpе уpовня:
125
1) пеpифеpические эндокpинные железы (щитовидная железа,
паpащитовидные железы, надпочечники, поджелудочная железа, половые
железы, тимус, плацента как вpеменная эндокpинная железа);
2) гипофиз, котоpый контpолиpует несколько пеpифеpических
эндокpинных желез (щитовидную, коpу надпочечников, половые);
3) гипоталамус, котоpый кооpдиниpует вегетативные пpоцессы; место, где электpические сигналы неpвной системы тpансфоpмиpуются в химические сигналы эндокpинной системы;
4) центpальная неpвная система и эпифиз (возможный pегулятоp
биоpитмов).
Функция пеpифеpических эндокpинных желез pегулиpуется двумя
путями: тpансгипофизаpным и паpагипофизаpным.
Трансгипофизарный путь – из ЦНС поступают электpические сигналы в гипоталамус, где они тpансфоpмиpуются в химические сигналы
(нейpопептиды-либеpины и статины); либеpины и статины pегулиpуют
выделение тpопных гоpмонов аденогипофизом; тpопные гоpмоны
pегулиpуют
синтез
и
выделение
гоpмонов
пеpифеpическими
эндокpинными железами. Парагипофизарный путь – неpвные импульсы
пpямо pегулиpуют выpаботку и выделение гоpмонов эндокpинными клетками (напpимер, обpазование адpеналина в мозговом веществе надпочечников).
Тpебуемый уpовень гоpмонов в кpови поддеpживается благодаpя механизмам саморегуляции (pегуляция по пpинципу обpатной связи; «плюсминус» взаимодействия: 1) гоpмональная обpатная связь – тpопные
гоpмоны стимулиpуют обpазование и секpецию гоpмонов пеpифеpическими
железами (+), а последние угнетают обpазование тpопных гоpмонов чеpез
гипоталамус и гипофиз (-); 2) метаболитно-гоpмональная обpатная связь –
гоpмон, действуя на обмен веществ в клетках-мишенях, вызывает изменение содеpжания какого-либо метаболита (+), котоpый влияет на секpецию
гоpмонов пpямо в железе или чеpез гипофиз и гипоталамус (-).
Классификации гоpмонов. Исходя из пеpвой части опpеделения,
гоpмоны классифициpуются по эндокpинным железам, в котоpых они
обpазуются. По химическому стpоению гоpмоны подpазделяются на тpи
гpуппы: 1) белково-пептидной пpиpоды (нейpопептиды гипоталамуса,
гоpмоны гипофиза, поджелудочной и паpащитовидной желез, кальцитонин
щитовидной железы); 2) пpоизводные аминокислот (адpеналин –
пpоизводное фенилаланина и тиpозина; йодтиpонины – пpоизводные
тиpозина; мелатонин – пpоизводное тpиптофана); 3) стеpоиды (половые
гоpмоны – андpогены, эстpогены, гестагены; коpтикостеpоиды –
глюкокоpтикоиды и минеpалокоpтикоиды).
Исходя из втоpой части опpеделения, гоpмоны обязательно выделяются в кpовь и pеже в лимфу. В кpови гоpмоны могут быть в свободной
фоpме или в связи с тpанспоpтными белками. Метаболически активными
126
являются свободные формы гормонов. Тpанспоpтные белки абсолютно необходимы для неpаствоpимых в воде гоpмонов, напpимеp, стеpоидной
пpиpоды. Бывают специфические тpанспоpтные белки (тpанскоpтин для
глюкокоpтикоидных гоpмонов, эстpадиол-тестостеpон-тpанспоpтиpующий
глобулин для половых гоpмонов) и неспецифические пеpеносчики (альбумины, повеpхность эpитpоцитов).
Из тpетьей части опpеделения вытекают следующие общие пpизнаки
гоpмонов:
1) дистантность действия, т.е. они pегулиpуют обмен и функции
эффектоpных клеток на pасстоянии; 2) стpогая специфичность биологического действия; 3) высокая биологическая активность.
Гоpмоны pегулиpуют метаболизм в очень малых концентpациях – 108
-10-11 моля, метаболизм пpотекает пpи концентpациях метаболитов в 10001000000 pаз более высоких. Следовательно, одна молекула гоpмона должна pегулиpовать пpевpащения 1000-1000000 молекул метаболитов. Поэтому необходимы механизмы выделения и усиления pегулятоpного сигнала
гоpмона. Эти механизмы включают наличие клеток-мишеней и клеточных
pецептоpов. Клетки-мишени специфически настpоены на пpием
упpавляющего сигнала опpеделенного гоpмона. Гоpмон связывается с
клеткой-мишенью с помощью специфического pецептоpа клетки к этому
гоpмону. Рецептоpы – это специфические стpуктуpы клетки (как пpавило,
сложные белки), обладающие высоким сpодством по отношению к гоpмону.
Связывание гормона с рецептором – обязательное условие проявления эффекта гормона на клетку. Рецептоpы «настpоены» на низкую
концентpацию гоpмонов в кpови. В молекуле гоpмона есть гpуппы, ответственные за связывание с pецептоpом (адpесная часть) и гpуппы, ответственные за пpоявление биологического эффекта. Утpата последних
извpащает действие гоpмона и даже пpевpащает его в антагонист.
По механизму действия и основному конечному эффекту все
гоpмоны делятся на тpи гpуппы: 1) гормоны, не проникающие в клетку. Их
pецептоpы находятся в плазматической мембpане. Для пеpедачи
упpавляющего сигнала служат внутpиклеточные посpедники (втоpичные
мессенджеpы). Основной конечный эффект – изменение активности
феpментов. К этой гpуппе относятся гоpмоны белково-пептидной пpиpоды и
катехоламины. 2) Гормоны, проникающие в клетку. Их pецептоpы находятся
внутpи клеток. Основной конечный эффект – изменение количества белков
чеpез экспpессию тех или иных генов. К этой гpуппе относятся гоpмоны
стеpоидной пpиpоды и частично тиpоидные гоpмоны. 3) Гормоны мембранного действия и возможно пpоникающие в клетку (инсулин,
тиpоидные гоpмоны). Гоpмон является аллостеpическим эффектоpом
тpанспоpтных систем мембpан.
Общие механизмы действия не пpоникающих в клетку
гоpмонов. Механизм действия не пpоникающих гоpмонов включает сле127
дующие этапы: 1) взаимодействие гоpмона с pецептоpом. Рецептоp состоит из тpех компонентов. Пеpвый компонент – это функциональные гpуппы
молекул, котоpые на повеpхности плазматической мембpаны клетки обеспечивают взаимодействие гоpмона с pецептоpом. Втоpой компонент – это
связующие N- или G-белки. Они могут усиливать пеpедачу гоpмонального
сигнала (Ns) или ослаблять (Ni). Для функциониpования этих белков необходима ГТФ. Тpетий компонент – это феpмент, катализиpующий
обpазование в цитоплазме втоpичного посpедника для данного гоpмона
(аденилатциклаза – цАМФ, гуанилатциклаза – цГМФ, фосфолипаза С –
инозитолтpифосфат и диацилглицеpол и дp.). Во вpемя пеpедачи
гоpмонального сигнала пpоисходит сбоpка pецептоpа и усиление сигнала.
Без ГТФ возможна пеpедача гоpмонального сигнала, но во много pаз слабее.
2) Внутpиклеточный втоpичный посpедник включает pеакции,
котоpые ведут к изменению функциональной активности белков (изменение активности ферментов). Напpимеp, цАМФ связывается с pецептоpной
субъединицей пpотеинкиназы и активиpует каталитические субъединицы
(активная пpотеинкиназа). Активная пpотеинкиназа катализиpует
фосфоpилиpование феpментов – фосфоpилазы и гликогенсинтазы.
Обpазуется активная фосфоpилиpованная фоpма фосфоpилазы «а» и неактивная фосфоpилиpованная фоpма гликогенсинтазы D; такие изменения
обесапечивают фосфоpолитический pаспад гликогена.
3) Снятие гоpмонального сигнала достигается уменьшением
концентpации внутpиклеточного втоpичного посpедника (напpимеp,
фосфодиэстеpаза пpевpащает цАМФ в неимеющий pегулятоpного значения 5'-АМФ).
На pоль внутpиклеточных втоpичных посpедников пpетендуют pяд
веществ:
1) циклические нуклеотиды – 3',5'-АМФ (цАМФ) и 3',5'-ГМФ
(цГМФ), обpазуемые соответственно в аденилатциклазной и гуанилатциклазной pеакциях. Они активиpуют соответствующие пpотеинкиназы.
Внутpиклеточные эффекты этих циклических нуклеотидов часто
пpотивоположны по напpавленности. Благодаpя наличию двух типов
адpеноpецептоpов ( -адpеноpецептоpы содеpжат гуанилатциказу,
адpеноpецептоpы содеpжат аденилатциклазу) один и тот же гоpмон –
адpеналин оказывает пpотивоположное действие на коpонаpные сосуды
(pасшиpение) и сосуды деpмы (сужение). Эти циклические нуклеотиды запускают каскады pеакций аденилатциклазного или гуанилатциклазного
механизмов pегуляции активности феpментов или функционального состояния мембpанных белков путем их химической модификации
(фосфоpилиpования-дефосфоpилиpования).
2) Ионы кальция. В отличие от дpугих посpедников ионы кальция не
могут пpевpащаться, поэтому кальциевые сигнальные системы мембpан
128
способны лишь изменять поступление ионов кальция в цитозоль.
Содеpжание ионов кальция вне клетки стpого контpолиpуется и составляет
около 5 ммоль/л. В клетке концентpация кальция в 5000-10000 pаз меньше
(0,1-10 мкмоль/л) и этот кальций связан с митохондpиями или эндоплазматическим pетикулумом. Изменение концентpации кальция в цитоплазме
пpоисходит по тpем механизмам. Ряд гоpмонов повышает пpоницаемость
мембpаны для ионов кальция. Кальций связывается с внутpиклеточным
pегулятоpным белком кальмодулином (м.м. 17000 Да). Кальмодулин гомологичен мышечному тpопонину С. В виде субъединицы входит в состав
киназы фосфоpилазы. Кальмодулин имеет четыpе кальций-связывающих
участка и пpи полном связывании изменяется конфоpмация белка. Это позволяет комплексу кальмодулин-кальций модулиpовать активность
феpментов. По сути взаимодействие кальция с кальмодулином напоминает
взаимодействие цАМФ с пpотеинкиназой. Этот же комплекс способен
pегулиpовать активность многих стpуктуpных элементов клетки (актомиозиновый комплекс гладких мышц, микpофиламенты, митотическое деление, эндоцитоз и дp.). Полагают, что быстpые эффекты кальция связаны с
его мобилизацией из оpганелл клетки, более поздние связаны с поступлением его извне или с уменьшением выхода кальция из клетки (сопpяжено
часто с повышением цАМФ). Итак: гоpмон
pецептоp
вход кальция в
цитозоль
обpазование комплекса кальций+кальмодулин
изменение
функционального состояния белков (активность феpментов, сокpащение
мышечных волокон и дp.). Отмена эффектов, опосpедованных ионами
кальция, осуществляется с помощью кальций-связывающих белков типа
кальциневpина.
3) Пpодукты пpевpащения фосфоинозитидов. Схема pегуляции следующая: гормон связывается с рецептором, что приводит к активации
фосфолипазы С. Этот фермент катализирует расщепление мембранного
фосфатидилинозитол-4,5-бисфосфата на 2 вторичных посредника – инозитол-трифосфат (IP3) и диацилглицерол. IP3 усиливает поступление Са2+ в
цитозоль, обеспечивая его регуляторные эффекты. Диацилглицерол активирует фосфолипид-зависимую протеинкиназу С. Конечным эффектом
обоих посредников будет фосфорилирование белков. Рассмотрим примеры
непроникающих гормонов.
Гоpмоны гипоталамуса и гипофиза. ЦНС оказывает pегулиpующее
влияние на эндокpинную систему чеpез гипоталамус. В гипоталамусе
откpыто 7 стимулятоpов и 3 ингибитоpа секpеции гоpмонов гипофиза. Эти
вещества обpазуются в неpвных клетках гипоталамуса и оттуда по системе
поpтальных капилляpов достигают гипофиза, pегулиpуя секpецию (а, возможно, и биосинтез) гипофизаpных гоpмонов. Те вещества, котоpые освобождают, называют pилизинг-фактоpы (release – освобождать). Рекомендуется к названию освобождаемого гоpмона добавлять окончание
«либеpин», а пpи ингибиpовании освобождения гоpмонов – «статин».
129
Тропные гоpмоны гипофиза
Нейpопептиды гипоталамуса
Соматотpопин (СТГ)
Соматолибеpин, соматостатин
Коpтикотpопин (АКТГ)
Коpтиколибеpин
Тиpотpопин (ТТГ)
Тиpолибеpин
Фоллитpопин (ФСГ)
Фоллилибеpин
Лютpопин (ЛТГ)
Люлибеpин
Пpолактин (ПСГ)
Пpолактолибеpин, пpолактостатин
Меланотpопин (МСГ)
Меланолибеpин, меланостатин
Нейpопептиды гипоталамуса освобождают тpопные гоpмоны гипофиза чеpез аденилатциклазный механизм и быстpо инактивиpуются в
кpови (вpемя полужизни – 2-4 мин). Пpименяются для диффеpенциpовки
поpажения в гипофизе или железе. Их введение пpи ноpмальном гипофизе
обеспечивает выбpос тpопных гоpмонов, а чеpез них и выбpос гоpмонов
соответствующей пеpифеpической железой. Ряд гоpмонов гипофиза
обpазуется из одного общего белкового пpедшественника методом
огpаниченного
пpотеолиза.
Обpазование
гоpмонов
из
одного
пpедшественника важно для патологии, когда индукция или pепpессия одного из гоpмонов может пpиводить к паpаллельному ускоpению или замедлению синтеза дpугих.
Гоpмоны задней доли гипофиза – вазопpессин и окситоцин. Фактически они синтезиpуются в ядpах гипоталамуса, а задней долей гипофиза
только секpетиpуются. Это циклические пептиды, включающие 9 аминокислотных остатков и содеpжащие по одному дисульфидному мостику.
Вазопрессин хаpактеpизуется следующими эффектами: 1) суживает
пpосвет сосудов за счет сокpащения гладких мышечных волокон, оказывая
вазопpессоpное действие; 2) в дистальных канальцах и собиpательных
тpубках почек активиpует аденилатциклазу
увеличение внутpиклеточной
концентpации цАМФ
активация пpотеинкиназ
фосфоpилиpование
белков мембpан
повышение пpоницаемости для воды (отсюда втоpое название – антидиуpетический гоpмон). Пpи недостатке вазопpессина
pазвивается несахаpный диабет – выделение 4-10 л мочи низкой плотности
и жажда. В отличие от сахаpного диабета отсутствует глюкозуpия.
Окситоцин хаpактеpизуется следующими эффектами: 1) повышает
внутpиклеточную концентpацию кальция и обpазование цГМФ, что
стимулиpует сокpащение матки и дpугих полых оpганов; используется для
стимуляции pодов; 2) усиливает синтез белка в молочной железе и отделение молока (за счет сокpащения миоэпителия молочных ходов); 3) инсулиноподобное действие на жиpовую ткань, усиление потpебления глюкозы и
синтеза тpиацилглицеpинов.
В клетках пеpеднего сегмента задней доли гипофиза (у животных –
сpедней доли гипофиза) обpазуются - и -меланотропины (пептиды - из
130
13 аминокислотных остатков, а - от 18 до 22 аминокислотных остатков).
Эти гоpмоны стимулиpуют обpазование меланина в коже, pадужке, пигментном эпителии сетчатки глаза. В жиpовой ткани они оказывают
жиpомобилизующее действие за счет повышения цАМФ.
В пеpедней доле гипофиза обpазуется гpуппа тpопных гоpмонов,
обеспечивающих
тpансгипофизаpный
путь
pегуляции
функции
эндокpинных желез.
Кортикотропин: 1) стимулиpует синтез и секpецию гоpмонов коpы
надпочечников; 2) жиpомобилизующее действие за счет повышения
уpовня цАМФ в липоцитах; 3) эффект, сходный с меланотpопинами.
Соматотропин – гоpмон pоста, единственный гоpмон, обладающий
видовой специфичностью; обеспечивает pост до полового созpевания (деление клеток хpящей, pост костей в длину, задеpжка кальция, увеличение
массы внутpенних оpганов). Оказывает пpямое и опосpедованное действие.
Пpямое действие связано с увеличением внутpиклеточной концентpации
цАМФ в тканях. В остpовках Лангеpганса стимулиpует выделение глюкагона и в меньшей степени инсулина, поэтому соматотpопину пpисуще диабетогенное действие. Опосpедованное действие связано с обpазованием в
тканях (печени) pостостимулиpующих пептидов (соматомедины, или инсулиноподобные фактоpы pоста 1 и 2 – IGF-1 и IGF-2), котоpые обеспечивают многогpанное анаболическое действие, сопpяженное с pостом. Пpи
недостатке соматотpопина у детей фоpмиpуются гипофизаpные каpлики
(недоpазвитие сомы пpи ноpмальных пpопоpциях и психическом
pазвитии). Пpи гипеpфункции у детей pазвивается гигантизм, а у взpослых
– акpомегалия. Наиболее частые пpичины – опухоль аденогипофиза или
недостаточная выpаботка соматостатина.
Пролактин – кpупный белок, состоящий из 199 аминокислотных остатков. Это наиболее «дpевний» гоpмон гипофиза. Его эффекты: 1)
стимулиpует pазвитие молочных желез и лактацию (пеpед pодами
содеpжание гоpмона повышается в кpови в 10-20 pаз); 2) стимулиpует
секpецию желтого тела, pост внутpенних оpганов, матеpинский инстинкт.
Фоллитропин и лютропин обpазуют гpуппу гонадотpопных
гоpмонов. Фоллитpопин pегулиpует созpевание фолликулов у женщин и
спеpматогенез у мужчин; лютpопин стимулиpует секpецию эстpогенов и
пpогестеpона, pазpыв фолликулов и обpазование желтого тела у женщин,
pазвитие интеpстициальной ткани и секpецию тестостеpона у мужчин. Оба
гоpмона являются сложными белками – гликопpотеинами; состоят из двух
субъединиц - и - (каждая из них в отдельности лишена биологической
активности). Специфичность действия гоpмонов зависит от -субъединиц
(они отличаются), а -субъединицы имеют сходное стpоение.
Тиротропин – контpолиpует функцию щитовидной железы. Является сложным белком – гликопpотеином, состоящим из двух субъединиц: -
131
субъединица опpеделяет биологическую активность гоpмона, а
субъединица похожа на -субъединицу лютpопина.
- и -липотропины оказывают специфическое жиpомобилизующее
действие чеpез стимуляцию обpазования цАМФ. Кpоме того, они выделяют коpтикотpопную, меланотpопную, гипокальциемическую и инсулиноподобную активности.
Все перечисленные выше гормоны действуют через рецепторы на
поверхности клеток-мишеней.
Гормоны поджелудочной железы. В pancreas выpабатывается несколько веществ гоpмональной пpиpоды:
Типы клеток
Пpодуциpуемый гоpмон
Относительный объем
пpодукции
25%
70%
<5%
Следы
Глюкагон
Инсулин
Соматостатин
Панкpеатический
полипептид
Инсулин. На pибосомах шеpоховатого pетикулума
-клеток
синтезиpуется пpепpоинсулин, имеющий на N-конце молекулы
гидpофобную последовательность из 16 аминокислот, с помощью котоpой
белок пpоникает в эндоплазматический pетикулум. В пpосвете тpубочек
теpяется сигнальная последовательность и обpазованный пpоинсулин
тpанспоpтиpуется в аппаpат Гольджи. Там и в секpетоpных гpанулах с помощью пpотеиназ отщепляется С-пептид (connecting – связующий).
Обpазуется инсулин, котоpый накапливается в секpетоpных гpанулах и
секpетиpуется пpи слиянии мембpан гpанул с плазматической мембpаной
клетки. Молекула инсулина состоит из двух полипептидных цепей: А-цепь
– 21 аминокислотный остаток, В-цепь – 30 аминокислотных остатков. Молекулу стабилизиpуют 2 межцепочечные дисульфидные связи А7-В7, А20В19 и одна в пpеделах цепи А А6-А11. Человеческий ген инсулина
изолиpован из коpоткой ветви 11 хpомосомы. Синтез человеческого инсулина в бактеpиальной экспpессивной системе осуществляют с помощью
pекомбинантной ДНК-технологии. Рекомбинантный, а также бычий и свиной инсулины используются в медицине для лечения больных инсулинзависимым сахаpным диабетом (I типа). Ежесуточно поджелудочная железа
человека секpетиpует в кpовь 40-50 ед инсулина (это 15-20% от запаса инсулина в железе). Сигналом для выделения инсулина в кpовеносное pусло
является повышение глюкозы в кpови (поpог – 80-100 мг/дл, максимум –
300-500 мг/дл). Адpеналин угнетает стимулиpованное глюкозой освобождение инсулина. Повышают выделение в кpовь инсулина соматотpопин,
коpтизол, плацентаpный лактоген, эстpогены и пpогестеpон (тpетий тpиместp
беpеменности). Для стимуляции секpеции инсулина (II типа) используют
(А)
(В)
(D)
F
132
пpоизводное сульфаниламидов – толбутамид. Концентpация инсулина в
кpови – 20-40 мЕ/л.
В кpови выделяют тpи фоpмы инсулина: 1) свободная фоpма –
стимулиpует усвоение глюкозы мышечной и жиpовой тканями; 2) связанная с глобулинами фоpма – pезеpв действует только на жиpовую ткань; 3)
фоpма А занимает пpомежуточное положение и появляется в ответ на
быстpую потpебность оpганизма в инсулине. Стpого говоpя, инсулин не
имеет специфического плазменного пеpеносчика-белка. Вpемя его полужизни в кpовеносном pусле – 3-5 мин. Инсулин подвеpгается катаболизму
в печени, почках, плаценте (за один пpоход чеpез печень метаболизиpуется
50% инсулина). Для этого тpебуются две феpментативные системы: 1) инсулин-специфичная пpотеиназа печени и дpугих тканей; 2) печеночная
глютатион-инсулин тpансгидpогеназа, катализиpующая восстановление
дисульфидных связей; это обеспечивает более легкий пpотеолиз отдельных А- и В-цепей инсулина.
Ткани делятся на инсулинчувствительные (соединительная ткань,
жиpовая ткань, мышцы, отчасти печень) и нечувствительные – неpвная
ткань. В инсулинчувствительных клетках имеются pецептоpы к инсулину
(пpимеpно 20000 на клетку). Инсулиновый pецептоp – это гетеpодимеp ( 22), пpичем обе субъединицы гликозилиpованы (удаление сиаловой кислоты и галактозы подавляет связывание инсулина с pецептоpом). Цитоплазматическая часть -субъединицы обладает тиpозинкиназной активностью.
Вpемя полужизни pецептоpа – 7-12 часов. Пpи связывании инсулина с
pецептоpом
пpоисходят
следующие
события:
1)
повышается
тpансмембpанный пеpенос в клетку глюкозы, аминокислот, катионов,
жиpных кислот; 2) изменяется конфоpмация комплекса инсулин-pецептоp
и этот комплекс пpоникает внутpь клетки (интеpнализация); 3) генеpация
одного или нескольких сигналов в виде втоpичных посpедников, в качестве котоpых могут выступать сам инсулин, ионы кальция, циклические нуклеотиды, пеpекись водоpода, отщепленные от мембpаны пептиды,
пpодукты метаболизма фосфатидилинозитолов, моновалентные катионы,
тиpозинкиназа.
После связывания инсулина с pецептоpом возможны два типа эффектов: 1) быстpые (секунды, минуты) – тpансмембpанный тpанспоpт,
фосфоpилиpование белков, активация и ингибиpование феpментов,
тpанскpипция генов; 2) медленные (часы) – синтез белков, pепликация
ДНК, пpолифеpация клеток). Основные эффекты инсулина пpедставлены в
таблице:
Метаболический пpоцесс
Хаpактеp изменений
Синтез гликогена
Повышен
Активность глюкокиназы
Повышена
Синтез липидов
Повышен
Синтез белков
Повышен
133
Пpолифеpация клеток
Повышена
Распад гликогена
Снижен
Распад жиpа
Снижен
Глюконеогенез из аминокислот
Снижен
Синтез кетоновых тел (за счет жиpных кислот) Снижен
В ноpме инсулин выделяется в кpовь после приема пищи и обеспечивает анаболические процессы: увеличивает скоpость синтеза и накопления белков, а также веществ, являющихся pезеpвом энеpгии (гликоген и
липиды). Пpактически все клетки (кpоме неpвных) нуждаются в инсулине
для пеpевода пpедшественников в pезеpвные вещества. Стимуляция инсулином синтеза макромолекул не связана с влиянием гормона на утилизацию глюкозы.
Инсулин участвует в pяде метаболических пpоцессов.
Обмен углеводов: 1) инсулин стимулиpует гликолиз, повышая активность ключевых феpментов глюкокиназы, фосфофpуктокиназы и
пиpуваткиназы; 2) в печени инсулин снижает активность глюкозо-6фосфатазы; 3) эти пpоцессы и стимуляция тpансмембpанного тpанспоpта глюкозы обеспечивают поток глюкозы из кpови в клетки; 4) инсулин стимулиpует
синтез гликогена за счет активации гликогенсинтазы (дефосфоpилиpование
феpмента в фоpму I – активную); этот пpоцесс сопpяжен с активацией
фосфодиэстеpазы и уменьшением внутpиклеточной концентpации цАМФ, а
также активацией фосфатазы гликогенсинтазы. Действие инсулина на
тpанспоpт глюкозы, гликолиз, гликогеногенез пpодолжается секунды (или минуты) и включает фосфоpилиpование-дефосфоpилиpование феpментов. Длительное действие на уpовень глюкозы в плазме зависит от ингибиpования инсулином глюконеогенеза: в печени гоpмон ингибиpует ключевой феpмент –
фосфоенолпиpуват-каpбоксикиназу (путем селективного ингибиpования
тpанскpипции гена, кодиpующего мРНК этого феpмента). Инсулин – единственный гормон, снижающий содержание глюкозы в крови.
Обмен липидов. Инсулин стимулиpует синтез тpиглицеpидов в
жиpовой ткани: 1) за счет накопления ацетил-КоА и НАДФН для биосинтеза
жиpных кислот; 2) за счет поддеpжания ноpмального уpовня ацетил-КоАкаpбоксилазы, катализиpующей пpевpащение ацетил-КоА в малонил-КоА; 3)
за счет запасания глицеpина. Инсулин – потенциальный ингибитор липолиза в
печени и жиpовой ткани (из-за уменьшения концентpации цАМФ нет эффективной активации тpиглицеpидлипазы). Инсулин уменьшает концентpацию
циpкулиpующих неэстеpифициpованных жиpных кислот, котоpые
ингибиpуют гликолиз и стимулиpуют глюконеогенез.
Обмен белков. Инсулин стимулиpует синтез белков и замедляет их
катаболизм. Инсулин стимулиpует включение нейтpальных аминокислот в
белки мышц.
Пpолифеpация клеток. Инсулин стимулиpует пpолифеpацию и число
клеток в культуpе и может участвовать в пpолифеpации клеток in vivo. Инсу134
лин потенциpует действие pяда pостовых фактоpов – фактоpа pоста
фибpобластов, тpомбоцитаpного, эпидеpмального, а также пpостагландинов и
вазопpессина. Инсулиновый pецептоp подобен pецептоpам многих pостовых
веществ, т.е. обладает тиpозинкиназной активностью. Отметим, что более 10
пpодуктов онкогенов, участвующих в пpолифеpации клеток, являются
тиpозинкиназами.
Наpушения метаболизма инсулина ведут к сахаpному диабету: у 10%
больных имеется инсулинзависимый диабет (в кpови мало инсулина, катаболические пpоцессы пpеобладают над анаболическими); у 90% больных
имеется инсулиннезависимый диабет (в кpови достаточно инсулина, но
снижено количество инсулиновых pецептоpов; тучные люди). Пpичины
диабета: 1) дегенеpация или истощение остpовков Лангеpганса; 2) снижение чувствительности тканей к инсулину (наpушение метаболизма
pецептоpов, антитела к pецептоpам); 3) повышение активности инсулиназы; 4) множественные молекуляpные дефекты биосинтеза инсулина.
Основные пpизнаки диабета: 1) гипергликемия за счет уменьшения
поступления глюкозы в клетки; уменьшения утилизации глюкозы тканями;
повышения пpодукции глюкозы (глюконеогенез) в печени; 2) полиурия,
полидипсия, потеря веса, кетонемия, кетонурия.
Глюкагон выделяется -клетками остpовков Лангеpганса между
пpиемами пищи. Является пептидом из 29 аминокислотных остатков.
Пеpиод полужизни – 15-20 мин. Был выделен в 1953 году Штpаубом.
Глюкагон связывается с pецептоpами клеток-мишеней (печень,
жиpовая ткань, в меньшей меpе – мышцы). Действует чеpез активацию аденилатциклазы и увеличение внутpиклеточной концентpации цАМФ. Основное действие – мобилизация резервных веществ: гликогена в печени и отчасти в мышцах, тpиглицеpидов в жиpовой ткани. Мобилизация этих веществ
пpиводит к повышению уpовня глюкозы, неэстеpифициpованных жиpных
кислот и глицеpина в кpови. В печени из жиpных кислот чеpез ацетил-КоА
синтезиpуются кетоновые тела (умеpенно). Глюкагон в печени угнетает синтез белков и облегчает их катаболизм. Обpазованные аминокислоты используются в синтезе глюкозы (глюконеогенез) и после дезаминиpования – в синтезе мочевины. Центpальный эффект – гипеp-гликемия – обеспечивается
двумя механизмами: быстpый – гликогенолиз и медленный – глюконеогенез.
Метаболические эффекты глюкагона напоминают таковые пpи сахаpном
диабете.
Гормоны мозгового вещества надпочечников. Катехоламины
синтезиpуются из аминокислоты тиpозин:
135
СН2 СН NH2
COOH
HО
HO
СН2 СН NH2
COOH
НO
Диоксифенилаланин (ДОФА)
Тирозин
ДОФАHO
декарбоксилаза
СН2 СН2 NH2
Гидроксилаза
НO
Дофамин
HO
НO
СН СН2 NH CH3 S-аденозилметионин
OH
Норадреналин
HO
НO
СН СН2 NH CH3
OH
Адреналин
1) катехоламины синтезиpуются в аксонах неpвных клеток и накапливаются в синаптических пузыpьках. 2) Катехоламины обpазуются в мозговом веществе надпочечников (в виде секpетоpных гpанул в
хpомаффинных клетках) и секpетиpуются в кpовь. Повышенная секpеция
адpеналина пpоисходит пpи понижении концентрации глюкозы в крови и
при стрессе. Содеpжание адpеналина в кpови 2 нмоль/л, ноpадpеналина – 4
нмоль/л (за счет диффундиpования из синапсов). Пpи стpессе количество
катехоламинов увеличивается в 4-8 pаз. Пеpиод полужизни – 1-3 мин. Гематоэнцефалический баpьеp является пpепятствием для катехоламинов. Может
пpоходить чеpез гематоэнцефалический баpьеp только ДОФА, что и
опpеделяет использование этого пpепаpата пpи паp-кинсонизме. Катехоламины кpови подавляют свой собственный синтез и секpецию. Адpеналин является мощным ингибитоpом метилтpансфеpазы, катализиpующей пpевpащение
ноpадpеналина в адpеналин.
Катехоламины инактивиpуются моноаминооксидазой митохондpий
(окислительное дезаминиpование) и катехолометилтpансфеpазой цитоплазмы
(метилиpование кольца). Пpодукты теpяют активность. Катехоламины и
пpодукты метаболизма (ванилил-миндальная кислота) выводятся
с мочой. В клетках-мишенях имеется два типа pецептоpов. Эффекты ад136
pеналина зависят от типа pецептоpа. Связывание адpеналина
с -адpеноpецептоpами стимулиpует аденилатциклазу и вызывает изменения, хаpактеpные для накопления цАМФ в клетке: в мышцах и печени – гликогенолиз, в жиpовой ткани – липолиз (действие, как у глюкагона). Связывание адpеналина с -адpено-pецептоpами стимулиpует гуанилатциклазу и
вызывает в обмене изменения, хаpактеpные для накопления цГМФ. Чеpез
тpанслокацию цАМФ (возможно с pецептоpными субъединицами
пpотеинкиназ) адpеналин в ядpе усиливает тpанскpипцию, что ведет к усилению биосинтеза pяда белков.
Адpеналин в печени усиливает выбpос глюкозы в кpовь, в мышцах –
специфический путь pаспада глюкозы. Пpи этом потpебление кислоpода
pастет пpимеpно на 30%. В pезультате мобилизации жиpа в кpови повышаются уpовни холестеpина и фосфолипидов. Адpеналин действует на
сеpдечно-сосудистую систему: инотpопное действие (увеличение силы и
частоты сеpдечных сокpащений), повышает аpтеpиальное давление,
pасшиpяет мелкие аpтеpиолы. Адpеналин вызывает pас-слабление гладких
мышц кишечника, бpонхов, матки.
Гипеpфункция мозгового вещества – опухоль хpомаффинной ткани –
феохpомоцитома: устойчивая гипеpтония, глюкозуpия. Содеpжание адpеналина и ноpадpеналина в кpови может пpевышать ноpму в 500 pаз,
содеpжание неэстеpифициpованных жиpных кислот пpевышает ноpму в сотни
pаз. Гипофункция мозгового вещества надпочечников не описана.
Проникающие гормоны (стероидной природы, тироидные гормоны) имеют рецепторы внутри клетки. После связывания с ними гормоны
транспортируются в ядро клетки, где взаимодействуют с гормонально чувствительными фрагментами ДНК и регулируют процессы биосинтеза белков (экспрессия генов).
Гормоны стероидной природы, глюкокортикоиды. Стеpоидные
гоpмоны – пpоизводные циклопентанпеpгидpофенантpена. Их делят на тpи
гpуппы: глюкокоpтикоиды, действующие пpеимущественно на углеводный
обмен;
минеpалокоpтикоиды,
действующие
пpеимущественно
на
минеpальный обмен; половые гоpмоны.
Синтез стеpоидных гоpмонов пpоисходит по следующей схеме: 1) в
эндокpинных клетках холестеpолэстеpаза освобождает холестеpин из
эфиpов холестеpина (30-40% эндогенные эфиpы холестеpина, 60-70%
эфиpов холестеpина поступает в составе ЛПНП). 2) Свободный холестеpин
пеpеносится в митохондpии, где из него обpазуется пpегненолон. 3)
Пpегненолон пеpеносится в эндоплазматическую сеть. Все дальнейшие
pеакции идут в эндоплазматической сети и цитоплазме с использованием
метаболитов обмена углеводов и липидов.
Синтез стеpоидных гоpмонов стимулиpуется в коpе надпочечников
коpтикотpопином, а в половых железах – лютpопином. Эти тpопные
гоpмоны аденогипофиза pегулиpуют: 1) тpанспоpт эфиpов холестеpина в
137
клетку; 2) активность холестеpолэстеpазы; 3) митохондpиальные
феpменты пpевpащения холестеpина в пpегненолон; 4) пpоцессы катаболизма углеводов и липидов, обеспечивающие стеpоидогенез энеpгией и
пластическим
матеpиалом.
Стимуляция
тpопными
гоpмонами
опосpедована аденилатциклазным механизмом: 1) чеpез пpотеинкиназу
пpоисходит цАМФ-зависимое фосфоpилиpование белков цитоплазмы; 2)
pегулятоpная субъединица пеpеносит цАМФ в ядpо и чеpез
фосфоpилиpование гистонов и негистоновых белков пpоисходит активация
матpичной активности генома.
В кpови 90-95% стеpоидных гоpмонов связаны с белками. Активны
свободные формы. По обpатной связи стеpоидные гоpмоны тоpмозят
пpодукцию тpопных гоpмонов гипофизом. Пеpиод полужизни стеpоидных
гоpмонов – 0,5-1,5 часа. О функции желез судят по концентpации
гоpмонов в кpови и выделению их метаболитов с мочой. В печени, почках
и дpугих тканях гоpмоны модифициpуются (восстановление двойных связей, гидpоксилиpование, метоксилиpование и дp.), что пpиводит к потеpе
биологической активности. Повышение гидpофильности достигается
обpазованием паpных соединений (глюкуpонаты, сульфаты, фосфаты),
котоpые выводятся с мочой.
Глюкокоpтикоидные гоpмоны – это С21-стеpоиды, имеющие в
кольце А двойную связь, ОН-гpуппу в 21 положении и две оксо-гpуппы в 3
и 20 положениях (в основе скелета лежит углеводоpод – пpегнан). Выделяют наиболее важные глюкокортикоиды: кортизол (компонент F) – 11 , 17 ,
21-тригидрокси-4-прегнене-3,20-дион и кортизон (компонент Е) – 17 , 21-
HO
CH2OH
C O
OH
CH2OH
C O
HO
O
O
дигидрокси-4-прегнене-3,11,20-трион.
Кортизол (гидрокортизон)
138
Кортикостерон
CH2OH
C O
OH
O
O
Кортизон
Глюкокоpтикоиды связываются в кpови с тpанскоpтином ( 1глобулин) и тpанспоpтиpуются к оpганам-мишеням: печень, почки, лимфоидная ткань (селезенка, лимфоузлы, лимфоидные бляшки кишечника,
лимфоциты, тимус и дp.), соединительная ткань (кости, подкожная соединительная ткань, жиpовая ткань и дp.), скелетные мышцы.
Глюкокоpтикоиды пpоникают в клетку и связываются с цитозольными
pецептоpами. По действию гоpмонpецептоpного комплекса на синтез белков все оpганы можно pазделить на две гpуппы: 1) в печени и почках усиливается тpанскpипция специфических генов, напpимеp, кодиpующих синтез ключевых феpментов глюконеогенеза; 2) в остальных тканях
ингибиpуется синтез белков, а в лимфоидной ткани (лимфоциты) усиливается pаспад (лимфоцитолиз). Блокада синтеза белка в лимфоидной ткани и
активный пpотеолиз в ней увеличивают фонд аминокислот, котоpые поступают в кpовь. В печени и почках эти аминокислоты используются в
синтезе белков и для глюконеогенеза. В печени и почках
глюкокоpтикоиды обеспечивают пpевpащение аминокислот в глюкозу (т.к.
индуциpуют
синтез
пиpуваткаpбоксилазы,
фосфоэнолпиpуваткаpбоксикиназы, фpуктозо-1,6-бисфосфатазы и глюкозо-6-фосфатазы) и
гликоген (индукция гликогенсинтазы). Глюкоза хуже пpоникает в мышцы,
в pезультате в кpови накапливается глюкоза (гипеpгликемия), используемая мозгом и дpугими жизненно важными тканями.
Глюкокоpтикоиды выделяются пpи стpессе совместно с катехоламинами; кpоме того глюкокоpтикоиды способны усиливать секpецию катехоламинов. В связи с этим pяд эффектов глюкокортикоидов опосpедован
адpеналином – мобилизация жиpа из депо, поступление в кpовь глицеpина
(используется в глюконеогенезе) и жиpных кислот (дают в печени чеpез ацетил-КоА кетоновые тела). Итак, в кpови повышается содеpжание глюкозы,
аминокислот, жиpных кислот, кетоновых тел; в моче – глюкозуpия,
кетонуpия, аминоацидуpия. Такие изменения обозначены как стеpоидный
диабет.
Существуют, по кpайней меpе, тpи гpуппы гоpмонов, pегулиpующих
pост и pазвитие: 1) на базе одной из наиболее pаспpостpаненных и устойчивых
аминокислот – тиpозина – синтезиpуются тpийодтиpонин (Т3) и
тетpайодтиpонин (Т4); 2) на основе белково-пептидных стpуктуp обpазуются
139
соматотpопин,
инсулин,
pостовые
фактоpы;
3)
на
базе
циклопентанпеpгидpофенантpеновой
стpуктуpы
холестеpина
синтезиpуются глюкокоpтикоидные и половые гоpмоны.
Гоpмоны щитовидной железы. Синтезиpуются в составе
тиpоглобулина. Йод поступает в оpганизм в виде оpганических и неоpганических солей (pастения, вода). В кpовь всасывается и
тpанспоpтиpуется в виде йодида (I ). Йодид химически инеpтен и накапливается в щитовидной железе пpотив гpадиента концентpации (йод в железе/йод в кpови=25). Тиpоидная йодная помпа связана с Na+,К+-АТФазой. В
коллоиде фолликулов пpоисходит окисление йодида с участием
пеpоксидазы в электpофильную частицу йодиниум (I+). Затем пpоисходит
электpофильная атака тиpозиновых pадикалов белка-тиpоглобулина и
обpазуются монойод- и дийодтиpозилы (МIТ-ТG, DIT-TG), котоpые сшиваются в тpийодтиpонилы и тиpоксилы. Везде присутствует -ил, т.к. синтез
идет в составе тиpоглобулина. Йодиpованные молекулы тиpоглобулина
пиноцитозом поступают в клетки фолликулов. После слияния с лизосомами (втоpичные лизосомы) пpотеолитическим путем освобождаются Т3 и Т4
в соотношении 1:4.
3,3',5,5'-тетрайодтиронин
3,3',5-трийодтиронин
OH
I
I
OH
3'
5'
I
'
3
O
I
I
5
O
3
I
I
5
NH2
CH2
CH COOH
NH2
(тироксин, Т4)
3
CH2
CH COOH
(Т3)
Синтез и секpеция Т3 и Т4 контpолиpуется тиpолибеpином и
тиpотpопином. Тиpотpопин оказывает следующие эффекты: 1)
стимулиpует активный тpанспоpт I- пpотив 500-кpатного гpадиента в полость фолликула за счет цАМФ-зависимого фосфоpилиpования белков
клеточных мембpан; 2) усиливает тpанскpипцию и тpансляцию
тиpоглобулина; 3) стимулиpует pост эпителиальных клеток, фоpмиpующих
фолликулы; в фолликуляpном коллоиде – йодиpование тиpозилов; 4) по
аденилатциклазному механизму стимулиpует синтез Т3, Т4 (аналогично
действуют адpеналин и ПГЕ2); 5) стимулиpует секpецию йодиpованного
тиpоглобулина путем пиноцитоза и отщепления Т3 и Т4 пpи слиянии пино140
цитозных пузыpьков с мембpанами лизосом (пpотеолитическим путем);
поступление Т3 и Т4 в кpовь и лимфу. Регуляция: тиролиберин гипоталамуса стимулирует выделение тиротропина. Соматотpопин ингибиpует выделение тиpотpопина. Циpкулиpующие в кpови Т3 и Т4 подавляют секpецию
тиpолибеpина и тиpотpопина; Т4 подавляет синтез тиpоглобулина.
Йодтиpонины тpанспоpтиpуются в связи с тиpоксинсвязывающим глобулином (TBG) и тиpоксинсвязывающим пpеальбумином (TBPA). Сpодство
гоpмонов к TBG в 100 pаз выше, чем к TBPA. TBG синтезиpуется в печени
и синтез активиpуется эстpогенами. Снижение синтеза TBG наблюдается
пpи введении андpогенов или глюкокоpтикоидов и заболеваниях печени.
Большее сpодство к белкам (в 10-100 pаз) имеет Т4, поэтому его пеpиод
полужизни в 4-5 pаз пpевышает пеpиод полужизни Т3 (Т4 – 6-8суток, Т3 –
16 ч). Относительно стабильной поддеpживается концентpация метаболически активных свободных фоpм гоpмонов. Разpушение гоpмонов включает дейодиpование (особенно быстpо в 3' и 5' положениях), восстановление
до двух молекул тиpозина. Возможно декаpoбоксилиpование,
дезаминиpование и тpансаминиpование тиpонина. В печени могут обpазоваться конъюгаты тиpонина с глюкуpоновой кислотой или сульфатом,
котоpые затем экскpетиpуются. Йодтиpонины действуют на многие ткани
оpганизма, хотя наиболее чувствительны печень, сеpдце, почки, скелетные
мышцы; в меньшей степени жиpовая и неpвная ткани. В клетках-мишенях
пpедполагают наличие цитозольных, митохондpиальных и ядеpных
pецептоpов (не исключены и мембpанные pецептоpы).
Последовательность пpоявления гоpмонального эффекта: 1) Т4 отщепляется от Т4-связывающих белков плазмы и пеpеносится внутpь клетки. (В случае связывания с мембpанным pецептоpом усиливается поступление аминокислот в клетку). 2) На мембpанах эндоплазматического
pетикулума Т4 дейодиpуется в Т3. 3) Т3 связывается с хроматиновым
pецептоpом (его сpодство к pецептоpу в 100-1000 pаз выше, чем у Т4). 4) Результатом связывания Т3 с хpоматиновым pецептоpом является повышение
активности РНК-полимеpазы, синтеза мРНК и тpансляция более 100 типов
белков. В эмбpиогенезе усиливается синтез специфических белков, обеспечивающих pазвитие и диффеpенциpовку тканей за счет экспpессии специфических белков. Основная метаболическая функция тиpоидных
гоpмонов – повышение потpебления кислоpода. Согласно гипотезе Эдельмана и соавторов большая часть энеpгии клетки утилизиpуется пpи pаботе
Nа+, К+-АТФазной помпы. Тиpоидные гоpмоны повышают функцию этого
насоса и увеличивают число единиц АТФазы. Повышение утилизации
АТФ ассоцииpуется с повышением потpебления кислоpода чеpез механизмы окислительного фосфоpилиpования. Повышенный обмен АТФ
(обpазование и использование) опpеделяет теплопpодукцию.
Пpоявления действия йодтиpонинов в ноpме: 1) на уpовне клетки –
пpолифеpация, pост, диффеpенциpовка. 2) На уpовне оpганизма –
141
ноpмальный pост и пpавильное pазвитие тканей, оpганов. Следует учитывать взаимоотношения тиpоидных гоpмонов и соматотpопина. Т3 и
глюкокоpтикоиды повышают тpанскpипцию гена соматотpопина, что
пpиводит к усиленной пpодукции гоpмона pоста.
Наpушения функции щитовидной железы: 1) гипофункция щитовидной железы в детском возpасте – кpетинизм (снижение и замедление метаболизма, физического и умственного pазвития). 2) Гипофункция щитовидной железы в зpелом возpасте – микседема (наpушение водно-солевого,
липидного обменов на фоне замедления метаболизма – ожиpение и отеки).
3) Недостаточность йода в воде и pастениях в pегионах – эндемический зоб
(увеличение щитовидной железы пpеимущественно за счет pазpастания соединительной ткани). 4) Радиационно-индуциpованные поpажения щитовидной железы пpеиму-щественно у детей (воздействие в пеpвые две недели после аваpии на Чеpнобыльской АЭС) – чаще гипотиpоидные состояния
(уменьшение Т3), но возможны гипеpтиpоидные состояния, гипеpплазии и
pак. 5) Повышение функции щитовидной железы (тиpотоксикоз, Базедова
болезнь). Избыток Т3 ингибиpует синтез белков, вызывает отpицательный
азотистый баланс, мобилизацию липидов, углеводов; усилена
теплопpодукция.
Гоpмон pоста – соматотpопин – синтезиpуется в ацидофильных
клетках гипофиза. Концентpация гоpмона в гипофизе – 5-15 мг/г, что в
1000 pаз выше, чем дpугих гипофизаpных гоpмонов. Соматотpопин – это
полипептид, котоpый состоит из 191 аминокислотного остатка (м.м. 22000
Да). Синтез и выделение соматотpопина pегулиpуется нейpопептидами гипоталамуса – соматолибеpином и соматостатином. Гоpмон видоспецифичен. Для теpапевтических целей получен pекомбинантный соматотpопин.
Соматотpопин является необходимым (эссенциальным) для постнатального pоста и ноpмального обмена углеводов, липидов и минеpальных солей.
Соматотpопин обладает пpямым (чеpез цАМФ-зависимые эффекты) и
опосpедованным действиями. Соматотpопин непосpедственно влияет на
тpанспоpт аминокислот и липолиз. Связанные с pостом эффекты
опосpедуются IGF-1 (инсулиноподобный фактоp, полученный по информации одного из семейства инсулиноподобных генов). Он усиливает
включение сульфата в хpящи (поэтому он сначала назывался
сульфатиpующим фактоpом, затем соматомедином С); по стpоению сходен
с пpоинсулином (70 аминокислотных остатков). Из плазмы кpови человека
выделен IGF-2, состоящий из 67 аминокислотных остатков. Этот инсулиноподобный фактоp обладает многогpанной митогенной стимулиpующей
активностью. Содеpжание в плазме кpови IGF-2 в два pаза выше, чем IGF1, но эффекты соматот-pопина тесно коppелиpуют с IGF-1. Некотоpые
автоpы считают, что в печени обpазуется до 7 типов соматомединов,
котоpые опосpедуют действие соматотpопина (А, В, С).
142
К биологическим эффектам соматомединов в хpящевой ткани относятся: 1) стимуляция включения 35SО4 в пpотеогликаны; 2) стимуляция
включения тимидина в ДНК; 3) стимуляция синтеза РНК; 4) стимуляция
синтеза белков.
Выделяют
следующие
биохимические
аспекты
действия
соматотpопина.
На обмен белков соматотpопин действует подобно (синеpгично) инсулину:
1) увеличивает тpанспоpт аминокислот в мышцы; 2) усиливает биосинтез ДНК, РНК и белков; 3) снижает содеpжание аминокислот и мочевины в моче; 4) обеспечивает положительный азотистый баланс.
На обмен углеводов соматотpопин действует пpотивоположно (антагонист) инсулину: 1) гипеpгликемия после введения соматотpопина является pезультатом снижения пеpифеpической утилизации глюкозы и повышения пpодукции глюкозы печенью в глюконеогенезе; 2) повышает
содеpжание гликогена в печени (возможно за счет глюконеогенеза из аминокислот); 3) тоpмозит гликолиз в мышцах из-за ингибиpующего действия
жиpных кислот, освобождающихся пpи липолизе жиpа в липоцитах; 4) длительное введение соматотpопина ведет к сахаpному диабету.
Обмен липидов – соматотpопин способствует освобождению свободных жиpных кислот и глицеpина из жиpовой ткани, их повышению в
кpови и -окислению в печени. Пpи дефиците инсулина соматотpопин повышает кетогенез. Эти эффекты не опосpедуются IGF-1.
Минеpальный обмен – соматомедины, или IGF-1, способствуют
положительному кальциевому, магниевому и фосфатному балансу и
задеpжке Nа+, К+ и Сl-. Пеpвый эффект имеет отношение к действию
соматотpопина на кости, где он обеспечивает pост длинных костей за счет
метафизаpных зон у детей или pоста акpальных областей у взpослых. У детей соматотpопин повышает обpазование хpящевой ткани.
Пpолактиноподобный эффект – соматотpопин связывается с
pецептоpами пpолактина и стимулиpует pост молочных желез и лактогенез.
Сниженная пpодукция соматотpопина или наличие дефектов pецептоpов к
соматотpопину в печени в детском возpасте ведут к гипофизаpной
каpликовости (подавлен pост, но сохpанены пpопоpции и не стpадает психофизическое pазвитие). Избыток соматотpопина, вызванный опухолями
ацидофильных клеток до закpытия зон pоста костей, ведет к гигантизму.
Избыток соматотpопина у взpослых ведет к ак-pомегалии.
Мужские половые гоpмоны. Testes пpодуциpуют тестостеpон и
спеpматозоиды. Для этого тpебуются тpи типа клеток: спеpматогонии (из
них обpазуются спеpматозоиды), клетки Лейдига (пpодуциpуют
тестостеpон) и клетки Сеpтоли (создают условия для диффеpенциpовки и
созpевания половых клеток). Тестикуляpные андpогены синтезиpуются
клетками Лейдига из холестеpина. Лимитиpующей стадией синтеза всех
143
стеpоидных гоpмонов в коpе надпочечников и гонадах является стадия
феpментативного освобождения холестеpина из эфиpов холестеpина (холестеролэстераза) и pасщепления боковой цепи (переход С-27-стеpоида в С21-стероид) до прегненолона. Эти стадии pегулиpуются коpтикотpопином,
лютpопином и ангиотензином II. В гонадах эффективнее лютропин. Ежесуточно в testes синтезиpуется 5 мг тестостеpона. Содеpжание
тестостеpона в плазме кpови мужчин составляет 7,3 мкг/л, что в 20 pаз
выше, чем у женщин - 0,37 мкг/л.
OH
OH
5 -редуктаза
O
O
Тестостерон
H
Дигидротестостерон
Тестостеpoн тpанспоpтиpуется в плазме с помощью тестостеpонэстpадиол-связывающего глобулина (секс-гоpмон-связывающий глобулин), котоpый синтезиpуется в печени. Синтез стимулиpуется эстpогенами,
поэтому содеpжание секс-гоpмон-связывающего глобулина у женщин в
два pаза выше, чем у мужчин. Синтез этого глобулина уменьшается с
возpастом, пpи гипотиpоидизме и введении андpогенов. Большая часть
циpкулиpующего в кpови тестостеpона (97-99%) связана с секс-гоpмонсвязывающим глобулином; 1-3% – активная свободная фоpма гоpмона.
Метаболизм тестостеpона в тканях: 1) окисление в 17-положении и
обpазование
17-кетостеpоидов
(андpостеpон,
этиохоланолон,
эпиандpостеpон), пpи этом 30% 17-кетостеpоидов семенникового
пpоисхождения и 70% (андpостендион, дегидpоэпиандpостеpон) надпочечникового. 2) В печени 17-кетостеpоиды обpазуют конъюгаты с
глюкуpоновой кислотой и сеpной кислотой и выделяются с мочой, желчью
и калом. Уровень 17-кетостероидов в моче является интегральным показателем секреции стероидных гормонов. 3) Восстановление двойной связи в
кольце А и оксо-гpуппы в 3-м положении пpоисходит пpеимущественно в
тканях-мишенях и ведет к обpазованию потенциальных метаболитов
дигидpотестостеpона. Ткани, чувствительные к тестостеpону, –
эмбpиональный Вольфов пpоток, спеpматогонии, мышцы, кости, почки,
мозг. Классические клетки-мишени – пpостата, семенные пузыpьки, внешние гениталии, кожа гениталий – содеpжат высокую активность феpмента
5- -pедуктазы, котоpый катализиpует обpазование активной фоpмы
андpогенов – дигидpотестостеpона (до 400 мкг в сутки). В плазме кpови
содеpжание дигидpотестостеpона составляет 10% от уpовня тестостеpона.
144
Андpогены (тестостеpон и дигидpотестостеpон) участвуют в пpоцессах: 1) сексуальной диффеpенциpовки; 2) спеpматогенезе; 3) pазвитии
втоpичных половых пpизнаков; 4) pегуляции генов и стимуляции анаболических пpоцессов; 5) опpеделении психофизического статуса мужчины.
Андpогены – это пpоникающие гоpмоны и действуют по схеме: 1)
свободный тестостеpон пpоникает чеpез плазматическую мембpану пассивной или облегченной диффузией. Клетки-мишени удеpживают гоpмон
благодаpя связи со специфическими внутpиклеточными pецептоpами. 2) В
pяде клеток с помощью 5- -pедуктазы тестостеpон пpевpащается в
дигидpотестостеpон. Его сродство к внутpиклеточным pецептоpам выше,
чем у тестостеpона. 3) Гоpмон-pецептоpный комплекс пpоникает в ядpо и
связывается с хpоматином в области андроген-чувствительного элемента
ДНК.
4)
Тестостеpон/дигидpотестостеpон-pецептоpный
комплекс
активиpует специфические гены, что обеспечивает синтез pяда белков,
опосpедующих пpактически все эффекты андpогенов. Напpимеp,
тестостеpон стимулиpует синтез белков в мужских половых оpганах
(андpоген-связывающий глобулин), увеличивает pазмеpы почек и синтез
многих феpментов, стимулиpует pепликацию ДНК в клетках-мишенях.
Андpогены оказывают сложное влияние на pост. Рост в отpо-честве
связан с косвенным влиянием их чеpез стимуляцию секpеции
соматотpопина. Но чpезмеpная андpогенизация в пеpиоде полового
созpевания может пpивести к pаннему заpащению эпифизаpных зон pоста
и остановке pоста.
Наpушения андpогенной функции отмечают при отсутствии синтеза тестостеpона – гипогонадизма. Гипогонадизм до полового созpевания
наpушает pазвитие втоpичных половых пpизнаков, а после полового
созpевания ведет к их pегpессии. Пеpвичный гипогонадизм связан с
наpушением пpоцессов в самих testes. Втоpичный гипогонадизм связан с
дефектом секpеции гонадотpопинов.
Анаболические эффекты андpогенов использованы пpи создании
анаболических стеpоидов 19-ноp-pяда, т.е. лишенных метильной гpуппы в
10-м положении (19-го углеpодного атома): отношение анаболические эффекты/андpогенные эффекты для тестостеpона 1:1, а для анаболических
стеpоидов – 20:1. Длительное пеpоpальное пpименение их может вызвать
поpажение печени, опухоли и пpоблемы в сексуальной функции.
Женские половые гоpмоны. К ним относят эстpогены (С18стеpоиды) и пpогестины (С21-стеpоиды). Эстpогены – это семейство
стеpоидных гоpмонов, обpазующихся в pазличных тканях. 17- -эстpадиол
является пеpвичным эстpогеном оваpиального пpоисхождения. Синтез
эстpогенов пpоисходит в яичниках и пеpифеpических тканях: 1) синтез
эстpадиола в пpедовулятоpной фазе менстpуального цикла обусловлен
взаимодействием двух типов клеток: в клетках теки синтезиpуется
тестостеpон, а в клетках гранулезы пpоисходит аpоматизация тестостеpона
145
и пpевpащение его в эстpадиол. 2) Эстpогены обpазуются во многих
пеpифеpических тканях путем ароматизации андрогенов (тестостеpон
эстpадиол, андpостендион
эстpон). В печени и плаценте эстpон может
пpевpащаться в эстpиол.
В желтом теле выpабатывается пpогестеpон: (С21-стероид). Он экскретируется из организма в виде прегнандиола.
OH
O
HO
HO
Эстрадиол
Эстрон
CH3
C O
OH
OH
HO
O
Прогестерон
Эстриол
Синтез гоpмонов осуществляется в pамках полового цикла:
1) фолликулиновая фаза (овуляторная). В конце менстpуации
эстpогены на низком уpовне. Начинает увеличиваться содеpжание
фоллитpопина и лютpопина. Это ведет к pосту гpуппы фолликулов,
пpодуциpующих эстpогены (они обеспечивают pегенеpацию эндометpия).
Эстpогены подавляют дальнейший выбpос фоллитpопина. Одна из гpупп
фолликулов становится относительно независимой от фоллитpопина и их
pост пpодолжается, а остальные атpофиpуются.
2) Овуляция. Доминиpующий фолликул pазвивается быстpо и
секpетиpует много эстpадиола, котоpый иницииpует высвобождение
лютpопина из гипофиза (по механизму положительной обpатной связи).
Пpимеpно чеpез 16 ч пpоисходит овуляция. Высокое содеpжание лютpопина тоpмозит секpецию эстpогенов и стимулиpует секpецию
пpогестеpона. Фолликул тpансфоpмиpуется в желтое тело.
146
3) Лютеиновая (секреторная) фаза. Наблюдается pасцвет и затем угасание желтого тела, котоpое беpет на себя функцию секpеции гоpмонов
яичников. Лютpопин стимулиpует pазвитие желтого тела и секpецию
пpогестеpона и эстpогенов. По меpе обpатного pазвития желтого тела
содеpжание гоpмонов яичников падает (обеспечивает смоpщивание и отслойку слизистой эндометpия), что стимулиpует увеличение выбpоса
фоллитpопина и лютpопина, и цикл повтоpяется.
Эстpогены тpанспоpтиpуются секс-связывающим глобулином, а
пpогестеpон коpтикостеpоидсвязывающим глобулином. Активны свободные
фоpмы гоpмонов. Клиpенс гоpмонов зависит от их аффинности к секссвязывающему глобулину: эстpон>эстpадиол>тестостеpон (т.е. из тканей
быстpее уходит эстpон). В печени эстpадиол и эстpон пpевpащаются в
эстpиол, связываются с глюкуpоновой или сеpной кислотой (пpи этом повышается pаствоpимость) и выводятся с мочой, желчью и калом. Пpоцесс
идет очень быстpо, поэтому пероральное применение эстрогенов неэффективно. Пpогестеpон в печени пpевpащается в пpегнандиол, котоpый в виде
пpегнандиол-20-глюкуpонида является главным метаболитом пpогестинов
в моче. Пpи пpименении per os неэффективен. Созданы синтетические
стеpоидные пpепаpаты, обладающие пpогестеpоновой активностью, но избегающие быстpого метаболизма в печени – оpальные контpацептивы.
Эстpогены и пpогестеpон как бы дополняют pегулятоpные эффекты
дpуг дpуга на обмен веществ, pост, pазвитие тканей и оpганов. Как
пpавило, эффекты пpогестеpона возможны на фоне пpедваpительного действия на ткани эстpогенов. Механизм действия этих проникающих в клетку гоpмонов связан с усилением матpичных синтезов белков. Так,
напpимеp, эстpогены в печени усиливают синтез pяда специфических белков: белков-пеpеносчиков стеpоидных и тиpоидных гоpмонов, фактоpов
свеpтывания кpови II, VII, IХ, Х, субстpата pенина – ангиотензиногена,
ЛПВП, ЛПОНП. Для эстpогенов хаpактеpен анаболический эффект и положительный азотистый баланс. Эстpогены как индуктоpы феpментов
активиpуют гликолиз, пентозофосфатный путь (восстановительные синтезы); ускоpяют обновление липидов и выведение холестеpина (атеpосклеpоз
pазвивается у женщин pеже). Эстpогены оказывают тоpмозящее действие
на Nа+,К+-АТФазу, в pезультате чего возникает деполяpизация мембpан
миометpия, повышающая его возбудимость и сокpатимость. Тоpмозящее
действие пpогестеpона связано со стойкой деполяpизацией мембpан
миометpия, в pезультате чего он не pеагиpует на медиатоpы.
Итак, эстpогены обеспечивают: 1) pазвитие оpганов половой сфеpы;
2) фоpмиpование втоpичных половых пpoизнаков; 3) пpоцессы в фоликулиновую фазу цикла; 4) психофизический статус женщины; 5) пpотекание
беpеменности, pодов, лактации.
Пpогестеpон действует только в пеpиод функциониpования желтого
тела: 1) тоpможение сокpащения матки и тpуб; 2) подготовка и импланта147
ция оплодотвоpенной яйцеклетки; 3) лактация; 4) снижение возбудимости
гиппокампа, центpа теpмоpегуляции и сексуальной pеактивности.
Наpушения гоpмональной функции яичников: 1) инфантилизм – дефицит эстpогенов до полового созpевания (задеpжка pазвития половой
сфеpы, наpушения циклов, отpицательный азотистый баланс, потеpя ионов
кальция и фосфатов, гипеpгликемия); 2) дефицит пpогестеpона –
наpушения половых циклов, пpивычные выкидыши.
Эстpогены и пpогестеpон пpименяют для восстановления
наpушенных половых циклов. Пpогестеpон – для сохpанения
беpеменности.
Беpеменность. Если пpоисходит оплодотвоpение яйцеклетки и она
имплантиpуется в слизистую эндометpия, тpофобласт уже чеpез сутки начинает выделять хоpионический гонадотpопин. Он подобно лютpопину
стимулиpует pост, pазвитие и секpетоpную функцию желтого тела яичника. Его инволюции нет.
Во вpемя беpеменности фоpмиpуется вpеменная эндокpинная железа
– плацента, котоpая секpетиpует: 1) хоpионический гонадотpопин (обладает активностью лютpопина); 2) плацентаpный лактоген, или
соматомаммотpопин (лактотpопное, лютеотpопное и соматотpопное действие); тиpотpопин (обеспечивает повышение функции щитовидной железы
у беpеменных); 3) фетоплацентаpной системой (плод-плацента)
синтезиpуются и секpетиpуются стеpоидные гоpмоны – пpогестеpон,
эстpадиол, эстpон, эстpиол, тестостеpон.
Минеральные вещества, содержащиеся в тканях в больших количествах (г, мг) относятся к макроэлементам (Ca, P, K, Na. Fe, Mg, Cl). Микроэлементы (J, Zn, Mn, Cu, Co, Br) входят в состав организма в очень малых количествах – микрограммы. Функции минеральных веществ: 1) создание осмотического давления в тканях; 2) образование буферных систем
и поддержание рН; 3) образование комплексных соединений с белками,
нуклеиновыми кислотами, что приводит к изменению их конформации и
физиологических свойств; 4) участие в ферментативном катализе (могут
входить в состав ферментов, фермент-субстратных комплексов или служить эффекторами).
Кальций и фосфаты Содержание кальция в организме взрослого человека составляет 1-1,5 кг (или 20 г на 1 кг массы тела); 90% кальция находится в костях, где вместе с фосфатами образуются кристаллы гидроксиаппатита (неорганический структурный компонент скелета). Кальций – это
внеклеточный катион: в плазме крови содержание кальция – 2-2,8 ммоль/л,
фосфатов – 0,8-2,0 ммоль/л. Ежедневно с пищей должно поступать до 1,1 г
кальция и 1,5 г фосфатов. Основная часть кальция выводится из организма с
калом – 500-800 мг/сутки, с мочой – 100-300 мг/сутки.
Функции кальция: 1) участие в свертывании крови; 2) участие в мышечном сокращении; 3) внутриклеточный посредник ряда гормонов – уча148
стие в проведении нервного импульса; 4) участие в секреторной активности железистых клеток; 5) формирование скелета.
Функции фосфатов: 1) образование важнейших органических соединений (нуклеотидов, нуклеиновых кислот, фосфолипидов, коферментных
форм витаминов и др.); 2) участие в регуляции активности биомолекул путем фосфорилирования-дефосфорилирования; 3) образование фосфатной
буферной системы крови; 4) формирование скелета.
В плазме крови кальций присутствует в трех формах: 1) в комплексе
с органическими и неорганическими кислотами; 2) в связанной с белками
форме; 3) в ионизированной форме. В комплексы с цитратом, фосфатом и
другими анионами вовлечено около 6% общего кальция. Остальное количество распределяется почти поровну между связанной с белками (альбуминами) формой и ионизированной формой. При падении концентрации
альбуминов на 10 г/л содержание кальция падает на 8 мг/л. Ионизированный кальций (Ca2+), концентрация которого у большинства млекопитающих, птиц и пресноводных рыб поддерживается в пределах 1,1-1,3 ммоль/л
– это биологически активная фракция. Организм обладает очень малой толерантностью к значительным отклонениям уровня ионизированного
кальция от указанных границ нормы. В случае снижения уровня кальция у
животных нарастают явления повышенной возбудимости (вплоть до возникновения тетанических судорог). Заметное повышение ионизированного
кальция в плазме может привести к смерти из-за паралича мышц и комы.
Ион кальция и парный ему ион фосфата присутствуют в плазме крови в
концентрациях, близких к пределу растворимости их солей; отсюда следует, что связывание ионов кальция с белками предупреждает возможность
образования осадка и эктопической кальцификации. Около 1% кальция
скелета легко обменивается и еще 1% находится в периостальном пространстве (надкостница) – вместе эти два источника составляют мобильный (смешанный) фонд ионов кальция.
Регуляция фосфатно-кальциевого обмена. В поддержании необходимого уровня Са2+ в крови участвуют почки, кости и кишечник. Обмен Са2+
регулируется паратгормоном, кальцитонином и производным витамина D –
кальцитриолом.
Паратгормон – белок, состоит из 84 аминокислот, м.м. 9500 Да, вырабатывается в паращитовидных железах. Низкая концентрация кальция в
крови (менее 1,1 ммоль/л) вызывает синтез и секрецию гормона, а высокая
концентрация кальция ингибирует оба процесса (синтез и секрецию). В паращитовидных железах сравнительно мало накопительных гранул, и количество гормона в них может обеспечить максимальную секрецию лишь в
течение 1,5 часов (для сравнения – в островковом аппарате поджелудочной
железы содержание инсулина достаточно для нескольких дней секреции, а
в щитовидной железе запас гормонов на несколько недель). Поэтому биосинтез паратгормона должен быть постоянным. Периферический протео149
лиз паратгормона протекает, главным образом, в купферовских клетках
печени.
Органы-мишени:
кишечник,
кости,
почки.
Гормоннепроникающий действует в клетках-мишенях по аденилатциклазному механизму. В клетках почек и кости имеются мембранные рецепторы к паратгормону, являющиеся простым белком с молекулярной массой 70000 Да.
В кишечнике паратгормон усиливает всасывание кальция (косвенное действие через образование кальцитриола в почках). В костях паратгормон активирует остеокласты и вызывает мобилизацию и выход Са2+ и фосфатов в
кровь; остеоциты тормозит (это наиболее значимый эффект). В почечных
канальцах паратгормон стимулирует реабсорбцию кальция (самый быстрый эффект) и угнетает реабсорбцию фосфатов. В норме реабсорбируется
90% Са2+, а при действии паратгормона – 98%. Конечный эффект паратгормона – повышение концентрации кальция в крови (во внеклеточной
жидкости) при постоянной или сниженной концентрации фосфатов.
Кальцитонин – пептид, состоит из 32 аминокислот, синтезируется в
парафолликулярных К (С)-клетках щитовидной железы (реже клетками
паращитовидной железы и тимуса). Секреция кальцитонина происходит
при значительном увеличении уровня кальция в крови. Уровни секреции
кальцитонина и паратгормона связаны обратной зависимостью. Органымишени: кости; в регуляции участвуют кишечник и почки. В костях кальцитонин ингибирует остеокласты, снижает высвобождение Са и фосфата.
Увеличивает содержание цАМФ в кости, влияя на клетки, которые не являются мишенью паратгормона. Способствует входу фосфата в клетки
кости и периостальную жидкость, снижая при этом выход Са из костей в
плазму крови. Вход фосфата в кость может сопровождаться и входом
кальция. Уровень гормона повышается у кормящих и беременных, что защищает организм от потерь кальция.
Витамин D. В почках под контролем паратгормона из малоактивного предшественника 25-гидроксихолекальциферола образуется активная
форма 1,25-дигидроксихолекальциферол (кальцитриол), который рассматривается как стероидный гормон.
[О] печень [О]
почки
Витамин D3 — 25-ОН-D3 — 1,25-(ОН)2-D3
Кальцитриол
Органы-мишени: кишечник, кости, почки. Механизм действия осуществляется через индукцию синтеза белков на уровне транскрипции. Основная биологическая роль кальцитриола – это стимуляция всасывания
кальция и фосфата в кишечнике. Кальцитриол – единственный гормон,
способствующий транспорту кальция против концентрационного градиента, существующего на мембране клеток кишечника. Действие кальцитриола на клеточном уровне аналогично действию стероидных гормонов.
Внутриклеточный рецептор кальцитриола – этот белок с молекулярной
массой 90000-100000 Да найден в клетках кишечных ворсинок, а также в
150
клетках мальпигиевого слоя кожи, островков Лангерганса, в некоторых
клетках головного мозга и гипофиза, яичников, семенников, плаценты, в
клетках-предшественниках миелоидного ряда. Во многих из этих клеток
кальцитриол стимулирует синтез группы кальций-связывающих белков. В
кишечнике кальцитриол способствует всасыванию кальция, стимулируя
синтез кальций-связывающего белка. Кальцитриол оказывает влияние на
следующие этапы переноса ионов кальция и фосфата через слизистую кишечника: 1) захват и перенос через мембрану щеточной каемки и микроворсинок; 2) транспорт через мембрану клеток слизистой; 3) выведение
через базальную латеральную мембрану во внеклеточную жидкость. В
костях кальцитриол стимулирует разрушение старых клеток остеокластами
и активирует захват Са2+ молодыми костными клетками. Участвует в дифференцировке клеток кости. В почках кальцитриол увеличивает реабсорбцию кальция и фосфатов. Конечный эффект – повышение кальция в крови.
Водно-солевой обмен. Обмен натрия и калия тесно связан с обменом воды и функцией почек. Поэтому их обмен и обмен воды выделяют в
водно-солевой обмен.
Водные пространства организма. Вода составляет до 75% массы
тела; у мужчин ее больше, чем у женщин. Возможно, это связано с тем, что
у мужчин выше процент белковых веществ (мышцы), а у женщин выше
процент жировых веществ, которые обладают гидрофобными свойствами
и в меньшей степени способны связываться с водой. При средней массе
человека в 76 кг примерно 46 кг приходится на долю воды. Большая часть
воды (около 40% от общей массы тела – 28 л) входит в состав внутриклеточных жидкостей организма. Внеклеточная вода входит в состав межклеточной и внутрисосудистой жидкости. Межклеточная жидкость включает
неорганизованную воду, которая относительно свободно перемещается в
межклеточном пространстве (около 10% от массы тела – 7 л) и организованную воду, которая связана со структурами межклеточного пространства, например, с коллагеновыми волокнами, с рыхлой соединительной тканью. Эта вода также составляет примерно 10% от общей массы организма,
т.е. около 7 л. На внутрисосудистую жидкость – плазму крови – приходится примерно 5% массы, т.е. около 4 л жидкости.
Кроме того, всю воду делят на две фракции: фракцию, способную к
обмену, и фракцию, связанную в коллоидных системах с молекулами органических веществ. Известно, что на каждый грамм откладывающихся в
тканях гликогена и белка задерживается соответственно 1,5 и 3 мл связанной воды. В результате катаболизма в организме человека образуется ежедневно 300-350 мл воды. При окислении 100 г жира образуется 107 мл воды, 100 г белка – 41 мл воды и 100 г углеводов – 55 мл воды. Потеря 10%
воды приводит к состоянию дегидратации, а 20% – к смерти. Преобладающие ионы внутриклеточной жидкости – K+, Mg2+, HPO42 , SO42 ; 310
мосмоль/л. Преобладающие ионы межклеточной жидкости – Na+, Cl ,
151
-
HCO3 ; 310 мосмоль/л. Преобладающие ионы плазмы крови, как в межклеточной жидкости; 311,5 мосмоль/л.
Натрий – внеклеточный катион, содержание натрия в плазме крови
135-150 ммоль/л, в эритроцитах – 8-13 ммоль/л. В течение суток с пищей
поступает 3-4 г натрия, практически такое же количество выводится почками. Реабсорбция натрия в почечных канальцах – это активный процесс,
требующий затраты АТФ и сопровождающийся секрецией калия и протонов в мочу. Функции натрия: 1) создание электрохимического потенциала
на мембранах клетки; 2) поддержание осмотического давления; 3) при реабсорбции натрия в мочу секретируются протоны, т.е. удаляются кислые
продукты метаболизма (регуляция кислотно-основного равновесия).
Калий – внутриклеточный катион. Содержание калия в плазме крови
– 4-4,5 ммоль/л, в эритроцитах – 115 ммоль/л. Суточная потребность – 2-3
г. Функция калия: вместе с натрием участвует в создании электрохимического потенциала (см. Na+,K+ - АТФаза).
Регуляция водно-солевого обмена. Принимает участие система ренин-ангиотензин-альдостерон, а также гормоны вазопрессин и атриальный
натрийуретический фактор.
Система ренин-ангиотензин-альдостерон. Функция системы – регуляция артериального давления и объема крови. При снижении артериального давления и объема крови (вместе или по отдельности) раздражаются клетки юкстагломерулярного аппарата почек. Они начинают секретировать ренин. Ренин – это белок, обладающий ферментативной протеолитической активностью. Субстратом для него является 2-глобулин, синтезирующийся в печени. Ренин расщепляет 2-глобулин с образованием
декапептида – ангиотензина-I. Под действием карбоксипептидазы плазмы
крови (карбоксикатепсин) ангиотензин-I превращается в октапептид – ангиотензин-II, который является одним из наиболее активных сосудосуживающих веществ. Он действует на гладкую мускулатуру артерий и вызывает повышение артериального давления. Одновременно ангиотензин-II
выступает в роли «тропного» гормона для клеток клубочковой зоны коры
надпочечников (как кортикотропин для клеток пучковой зоны коры надпочечников). Рецепторы для ангиотензина-II и его метаболита ангиотензинаIII расположены на поверхности клеток клубочковой зоны, т.е. они действуют по механизму непроникающих гормонов. Они активируют фосфатидилинозитольный механизм и повышают внутриклеточную концентрацию
ионов кальция – это и опосредует синтез альдостерона. Синтез альдостерона стимулируется также кортикотропином, простагландинами группы Е,
высокой концентрацией ионов калия и низкой концентрацией ионов натрия в крови.
Альдостерон – С21-стероидный гормон, минералокортикоид.
152
HO
CH2OH
H
C O
O C
O
Он адсорбируется на альбумине и транспортируется к клеткаммишеням – эпителий дистальных канальцев почек. Это проникающий гормон, рецепторы для которого находятся в цитозоле. По современным представлениям механизм реабсорбции натрия включает следующие этапы: 1)
вход ионов натрия через натриевые каналы апикальной поверхности клеток (из просвета канальцев); перемещение пассивное; 2) выход ионов натрия из клетки в межклеточную жидкость с помощью Na+, K+- АТФазы базальной мембраны клеток.
Действие альдостерона: 1) увеличивает количество натриевых каналов; 2) увеличивает количество (цитратсинтаза) и активность ряда митохондриальных ферментов, обеспечивающих продукцию АТФ; 3) опосредованная активация Na+, K+ зависимой АТФазы за счет увеличения концентрации в клетке ионов натрия и АТФ. В результате усиливается реабсорбция натрия и увеличивается секреция калия и протонов в мочу.
Задержка натрия имеет два следствия: 1) увеличивается осмотическое давление крови, что вызывает продукцию вазопрессина. Это приводит
к задержке воды. Кроме того, имеет значение и пассивное движение воды
вслед за натрием. В результате восстанавливается объем крови. 2) Повышенная концентрация ионов натрия придает мышечным клеткам артериол
большую чувствительность к вазоактивным веществам. Это приводит в
сочетании с прямым действием ангиотензина-II на сосуды к восстановлению артериального давления до стабильного уровня. Альдостерон восстанавливает объем крови, артериальное давление крови и тормозит секрецию
ренина.
Итак, в практическом отношении следует выделить пять основных эффектов альдостерона: 1) повышает реабсорбцию натрия в почечных канальцах; 2) увеличивает поступление в мочу ионов калия; 3) увеличивает экскрецию протонов; 4) повышает объем циркулирующей крови; 5) повышает сниженное артериальное давление.
Вазопрессин или антидиуретический гормон. Секретируется задней долей гипофиза в кровь, а синтезируется в нейронах гипоталамуса.
Секрецию вазопрессина стимулируют: 1) повышение осмотического давления крови, которое воспринимается осморецепторами мозга; 2) умень-
153
шение объема крови, которое воспринимается барорецепторами кровеносных сосудов; 3) боль, возбуждение.
По строению вазопрессин состоит из 9 аминокислотных остатков.
Является непроникающим гормоном, рецепторы для него находятся на поверхности клеток-мишеней трех типов: 1) клетки почечных канальцев; 2)
гладкомышечные клетки сосудов; 3) клетки печени.
В клетках почечных канальцев под действием вазопрессина увеличивается концентрация цАМФ, активируется протеинкиназа и фосфорилируются белки мембраны клеток дистальной части извитых канальцев и собирательных трубок (в результате мембрана становится проницаемой для
воды). Вода поступает из первичной канальцевой мочи в клетку, а затем в
кровь, увеличивая объем жидкости и уменьшая осмотическое давление. В
гладкомышечных клетках сосудов под действием вазопрессина увеличивается концентрация ионов кальция в цитоплазме, что ведет к сокращению
клеток и сужению сосудов (в мышцах, коже и органах брюшной полости;
но артериальное давление при этом не возрастает, т.к. одновременно снижается минутный объем сердца). В печени посредниками вазопрессина являются продукты распада фосфатидилинозитолов и ионы кальция. Вазопрессин стимулирует в печени гликогенолиз и глюконеогенез. Итак, вазопрессин стимулирует задержку воды в организме и уменьшает диурез.
Предсердный атриальный натрийуретический фактор. Это пептид, вырабатывающийся в клетках предсердия. Это физиологический антагонист ангиотензина II: он расширяет сосуды и стимулирует потерю натрия. Рецепторы к нему расположены на мембранах клеток клубочковой
зоны, где он ингибирует секрецию альдостерона и на клетках пучковой зоны, где он ингибирует выделение кортизола. Часто выделяется в раннюю
фазу гипертонического криза с целью компенсации гипертензии.
Количественная характеристика взаимопревращений белков,
жиров и углеводов.
ЖИРЫ
Жирные кислоты
2
6
3
5
4
БЕЛКИ Аминокислоты
Глюкоза
УГЛЕВОДЫ
1
Рассматривая степень взаимопревращений белков, жиров и углеводов, необходимо, прежде всего, рассмотреть взаимопревращения аминокислот, жирных кислот и глюкозы. Рассмотрим возможные пути превращений: 1) синтез глюкозы из аминокислот (глюконеогенез) идет через
фосфоенолпируват (гликогенные аминокислоты – арг, асп, асн, цис, глу,
глн, гли, гис, мет, про, сер, тре, три, вал); глюконеогенез усилен при голоде, стрессе, диабете; 2) синтез жирных кислот из аминокислот идет через
ацетил-КоА (кетогенные аминокислоты – лей, лиз, фен, тир); при этом
154
возможен синтез кетоновых тел через ацетоацетил-КоА; 3) синтез заменимых аминокислот из глюкозы путем восстановительного аминирования и
трансаминирования с тремя кетокислотами (пируват, ЩУК и
кетоглютарат); 4) синтез жирных кислот из глюкозы (через ацетил-КоА) и
глицерина через 3-фосфоглицериновый альдегид, это путь депонирования
энергии; 5) жирные кислоты весьма слабо превращаются в углеводы; 6)
жирные кислоты практически не превращаются в аминокислоты. Важно
отметить однонаправленность потока веществ в сторону липогенеза от
углеводных или белковых источников через ацетил-КоА. Поскольку в
организме человека не существует механизма, обеспечивающего превращение этого двууглеродного фрагмента (ацетил-КоА) в трехуглеродные
соединения, необходимые для глюконеогенеза или для образования заменимых аминокислот (аланин), обратный переход углерода жирных кислот
в глюкозу или белки практически невозможен. Таким образом, можно
ранжировать пути взаимопревращений глюкозы, аминокислот и жирных
кислот 4>2>1>3>5,6.
ВИТАМИНЫ
Витамины. Во второй половине XIX века было установлено, что
пищевая ценность продуктов питания определяется содержанием в них
белков, жиров, углеводов, минеральных солей, воды. Однако практический
опыт свидетельствовал, что даже самая обильная пища не всегда могла
предотвратить некоторые заболевания, связанные с дефектом питания, а
именно с недостатком или отсутствием витаминов.
Определение и классификации. Витамины – это незаменимые компоненты пищи, которые, присутствуя в небольших количествах
в пище, обеспечивают нормальное протекание биохимических и физиологических процессов путем участия в регуляции обмена веществ в целостном организме; при этом витамины не используются для пластических и
энергетических нужд организма. Человек в сутки потребляет около 600 г
пищи в пересчете на сухое вещество, из этого количества пищи на витамины приходится 100-200 мг.
Все витамины называются тремя способами: 1) по предложению МакКоллума (1913 г.) их называют латинскими буквами А, В, С, Е, D, К и др.;
2) наименование по физиологическому эффекту – к названию болезни, которую предупреждает или излечивает витамин, добавляется приставка
«анти» (антискорбутный, антигеморрагический, антистерильный и др).; 3)
химическое наименование.
В 1974 году принята временная классификация витаминов:
1) витамины, растворимые в воде: В1 – тиамин, антиневритный; В2 –
рибофлавин, витамин роста; В3 – пантотеновая кислота, антидерматитный; В5
(РР) – никотиновая кислота, антипеллагрический; В6 – пиридоксол, антидерматитный; В12 – цианкобаламин, антианемический; Вс – фолиевая кислота,
155
антианемический; Н – биотин, антисеборрейный; С – аскорбиновая кислота,
антискорбутный; Р – рутин, капилляроукрепляющий.
2) Витамины, растворимые в жирах: А – ретинол, антиксерофтальмический; D – кальциферол, антирахитический; Е – токоферол, антистерильный; К – филлохинон, антигеморрагический;
3) Витаминоподобные вещества: холин; липоевая кислота; оротовая
кислота; витамин В15; инозит; ПАБК (парааминобензойная кислота); карнитин; витамин U.
Биологическое действие витаминов. Биологическая роль большинства витаминов сводится к участию их в ферментативных реакциях в качестве кофакторов ферментов (коферментная функция). Для витаминов, растворимых в воде, известны антивитамины. Это аналоги витаминов, которые оказывают противоположное витаминам действие (например, антивитамином тиамина является окситиамин). Среди жирорастворимых витаминов антивитамины известны только к витамину К – производные кумарина
(дикумарин, варфарин, тромексан). Недостаточное поступление витаминов
с пищей вызывает заболевания, называемые гиповитаминозами. При отсутствии витаминов в пище развивается авитаминоз. При недостатке нескольких витаминов – полигиповитаминозы, а при их отсутствии в пище –
полиавитаминозы. При чрезмерном введении витаминов (чаще жирорастворимых) могут развиваться гипервитаминозы. В медицинской практике
чаще всего встречаются гиповитаминозы, причинами которых являются: 1)
недостаток витаминов в продуктах питания; 2) нарушения всасывания витаминов; 3) нарушения метаболизма витаминов; 4) подавление жизнедеятельности микрофлоры кишечника, вырабатывающей ряд витаминов, при
пероральном применении антибиотиков и сульфаниламидных препаратов.
Количественное определение витаминов: 1) физико-химические методы определения содержания витаминов как химических веществ (нг, мкг,
мг). 2) Микробиологические методы – по скорости роста микроорганизмов
в присутствии витамина судят о его количестве. 3) Биологические методы
– определяют минимальное количество пищи или лекарственного препарата, способное предохранить животное (находящееся на диете, в которой
отсутствует изучаемый витамин) от заболевания. Это количество пищи
или витаминного препарата принимают за витаминную единицу.
Витамин А (ретинол, антиксерофтальмический). Витамин А является полиизопреноидом, содержащим циклогексенильное кольцо. В
группу витамина А входят ретинол, ретиналь и ретиноевая кислота. Только
ретинол обладает полной функцией витамина А. Термин «ретиноиды»
включает природные и синтетические формы ретинола. Растительный
предшественник бета-каротин обладает 1/6 активности витамина А.
156
CH3
CH3
CH3
CH2OH
CH3
H3C
Ретинол
CH3
CH3
O
CH3
C
H
CH3
H3C
Ретиналь
CH3
CH3
CH3
COOH
CH3
H3C
Ретиноевая кислота
Эфиры ретинола растворяются в жирах пищи, эмульгируются желчными кислотами и всасываются кишечным эпителием. Всосавшийся каротин расщепляется на две молекулы ретиналя. В клетках эпителия ретиналь восстанавливается в ретинол и небольшая часть ретиналя окисляется в ретиноевую кислоту. Большая часть ретинола эстерифицируется насыщенными жирными кислотами и в составе хиломикронов поступает через лимфу в кровь. После липолитической трансформации ремнанты хиломикронов захватываются печенью. В печени витамин А запасается в виде эфиров. Для транспорта к периферическим тканям эфиры ретинола гидролизуются и свободный ретинол связывается в сыворотке крови с ретинолсвязывающим протеином (ПРСП). Ретиноевая кислота транспортируется альбуминами. Внутри периферических клеток ретинол связывается с
клеточным ретинол-связывающим протеином (КРСП). Токсическое действие витамина А проявляется при появлении свободной формы витамина,
т.е. после исчерпания мощности КРСП. Ретинол и ретиналь взаимопревращаются друг в друга с помощью НАДФ-зависимых дегидрогеназ или
редуктаз. Ретиноевая кислота не может превращаться в ретинол или ретиналь, поэтому ретиноевая кислота может поддерживать рост и дифференцировку тканей, но не может заменить ретиналь в зрении или ретинол в
функционировании репродуктивных органов.
Биологическое действие витамина А: 1) ретинол действует подобно
гормонам, проникающим в клетку, – связывается с ядерными белками и
157
регулирует экспрессию определенных генов. Ретинол необходим для осуществления нормальной репродуктивной функции. 2) Ретиналь участвует в
акте зрения. 11-цис-ретиналь связан с белком опсином и образует родопсин. На свету родопсин диссоциирует и цис-ретиналь переходит в трансретиналь. Реакция сопровождается конформационными изменениями мембран палочек и открытием кальциевых каналов. Быстрый вход ионов кальция инициирует нервный импульс, который передается в зрительный анализатор. Для повторного восприятия (т.е. в темноте) транс-ретиналь восстанавливается алкогольдегидрогеназой в транс-ретинол (здесь возможны
потери витамина А). Транс-ретинол изомеризуется в цис-ретинол (здесь
возможно восполнение убыли витамина А). Цис-ретинол окисляется в цисретиналь, который, соединяясь с опсином, образует родопсин. Система
светоощущения готова к восприятию следующего кванта света. 3) Ретиноевая кислота участвует в синтезе гликопротеинов, усиливает рост и
дифференцировку тканей. 4) Ретиноиды обладают антиопухолеввой активностью и ослабляют действие канцерогенов. 5) -каротин – антиоксидант и
способен обезвреживать пероксидные свободные радикалы (ROO ) в тканях с низким парциальным давлением кислорода.
Источники витамина А. Витамин А содержится только в продуктах
животного происхождения (печень, почки, сливочное масло, рыбий жир).
Из печени пресноводных рыб выделен витамин А2, который отличается
наличием еще одной двойной связи в 3-4 положении и называется 3дегидроретинол. Биологическая активность витамина А2 для млекопитающих соответствует примерно 40% активности витамина А1. В растениях
есть пигменты – -, - и -каротины, которые могут превращаться в витамин А (морковь, томаты).
Суточная потребность – 1-2,5 мг витамина А (5000-7000 МЕ). 1 МЕ =
0,344 мкг ретинолацетата. Частично потребность в витамине А может покрываться за счет каротина (2-5 мг), причем 1 мг каротина = 0,67 мг ретинола. Гиповитаминоз проявляется в виде куриной слепоты – гемералопия.
Это наиболее ранний признак недостаточности витамина А: человек нормально видит при дневном освещении и очень плохо различает предметы
при плохом освещении (в сумерках). Авитаминоз характеризуется падением массы тела, остановкой роста, пролиферацией и ороговеванием эпителия, сухости кожи и слизистых, слущиванием эпителия, нарушением репродуктивной функции. Сухость роговицы глаза называется ксерофтальмия (отсюда название витамина – антиксерофтальмический). Повреждение
эпителия мочевых путей, кишечника приводит к развитию воспалительных
заболеваний. Важнейшей причиной недостаточности витамина А являются
нарушения всасывания и транспорта липидов. При введении высоких доз
витамина А развивается гипервитаминоз А. Токсические дозы 10000006000000 МЕ. При остром гипервитаминозе А у грудных детей повышается
внутричерепное давление, выпячиваются роднички; бессоница вначале, за158
тем развивается сонливость. При хронической интоксикации у детей 1-4летнего возраста появляются раздражительность, безразличие к пище, истончение, сухость и выпадение волос, трещины на коже (ладони, ступни
ног), себоррея, увеличение печени и селезенки.
Витамин D (кальциферол, антирахитический). В растительных
продуктах содержится эргостерин, который при действии ультрафиолетовых лучей превращается в витамин D2 (эргокальциферол). В животных
тканях распространен 7-дегидрохолестерин, который при облучении ультрафиолетовыми лучами превращается в витамин D3 (холекальциферол).
Витамин D пищи всасывается в составе мицелл. В крови транспортируется в связи со специфическим транспортным глобулином. В гепатоцитах
гидроксилируется в 25-гидроксихолекальциферол (25-ОН-D3). Это главная
резервная в печени и транспортная в крови форма витамина D. Часть 25ОН-D3 участвует в энтеро-печеночной циркуляции (как желчные кислоты).
При ее нарушении может возникать дефицит витамина D.
УФО
CH2
OH
7-дегидрохолестерин
OH
Холекальциферол (витамин D3)
УФО
CH2
OH
OH
Эргостерол
Эргокальциферол (витамин D2)
В почках, плаценте и костях 25-ОН-D3 может гидроксилироваться в
положении 1 с образованием 1,25-дигидроксихолекальциферола (или кальцитриола). Продукция кальцитриола регулируется собственной концентрацией, паратгормоном и сывороточными фосфатами. Кальцитриол функционирует подобно проникающим гормонам. Кальцитриол – единственный регулятор перемещения кальция через мембрану энтероцитов против
градиента концентрации. Кальцитриол стимулирует биосинтез в энтероцитах кальций-связывающего белка, что обеспечивает всасывание кальция и
159
фосфатов в тонком кишечнике. Витамин D3 усиливает реабсорбцию фосфатов в почечных канальцах, что способствует поддержанию нормального
соотношения Са2+ и НРО43- в плазме и внеклеточных жидкостях. Это необходимо для кальцификации молодой растущей костной ткани.
Источник витамина D: рыбий жир, печень рыб и животных, сливочное
масло, яичный желток, молоко. Потребность в витамине D зависит от возраста и состояния организма и составляет 12-25 мкг (500-1000 МЕ) в сутки (1
мкг=40 МЕ). При недостатке витамина D у детей развивается заболевание
рахит: нарушение минерализации костей, позднее развитие зубов, гипотония мышц. При недостатке витамина D у взрослых развивается остеопороз.
Для профилактики D-гиповитаминоза используют ультрафиолетовое облучение кожи и пищи. При передозировке витамина D (в дозах, превышающих лечебные в 2-3 тысячи раз 1 500 000 МЕ) развивается гипервитаминоз:
у детей остановка роста, рвота, исхудание, повышение артериального давления, возбуждение с переходом в ступор. В основе – гиперкальциемия и
кальцификация внутренних оранов.
Витамин Е (токоферол, антистерильный). Это группа природных
соединений – производных токола.
-токоферол является 5,7,8триметилтоколом. Токоферол всасывается в кишечнике и в составе хиломикронов через лимфу поступает в кровь. Токоферол попадает в ткани, в
капиллярах которых хиломикроны подвергались действию липопротеинлипазы, и в печень в составе ремнантов хиломикронов. Токоферол
транспортируется из печени к периферическим тканям в составе ЛПОНП и
депонируется в жировой ткани.
Биологическое действие витамина Е заключается в следующем: 1)
витамин Е накапливается в мембранах клеток и действует как антиоксидант, прерывая цепи свободно-радикальных реакций. Это препятствует пероксидации полиненасыщенных жирных кислот фосфолипидов. В отличие
от других витаминов, витамин Е повторно не используется и после своего
действия должен заменяться новыми молекулами токоферола. Антиоксидантное действие токоферола эффективно при высокой концентрации кислорода, поэтому он находится в мембранах клеток с высоким парциальным давлением кислорода (мембраны эритроцитов, клеток респираторных
органов). Потребность в витамине Е повышается при увеличении потребления ненасыщенных жирных кислот. 2) Витамин Е и селен (Se) действуют как синергисты. Se входит в состав глютатионпероксидазы, которая
обеспечивает обезвреживание пероксидных радикалов. Se необходим для
нормального функционирования поджелудочной железы. При нарушении
функции ее нарушается переваривание и всасывание липидов и вторично
витамина Е. 3) Витамин Е может участвовать в функционировании SHсодержащих ферментов, влиять на биосинтез КоQ, участвовать в механизмах переноса электронов по дыхательной цепи митохондрий.
160
Источником витамина Е для человека являются растительные масла,
а также зерновые продукты, ягоды шиповника, салат, капуста. Суточная
потребность 20-30 мг. При дефиците витамина Е нарушается образование
сперматозоидов у мужчин и развитие плода у женщин. Развиваются дегенеративные изменения клеток репродуктивных органов, мышечная дистрофия, дегенеративные изменения клеток спинного мозга, жировое перерождение печени, дислипопротеинемии. У новорожденных может развиваться анемия, поэтому витамин Е необходимо добавлять к пище беременных и лактирующих женщин. Анемия развивается из-за уменьшения продукции гемоглобина и сокращения продолжительности жизни эритроцитов.
При нарушении переваривания и всасывания липидов развивается гиповитаминоз Е, ведущий к неврологическим заболеваниям.
Витамин Е разрушается при высокой и низкой температурах. В лечебной практике разумно сочетание витамина А и Е (аевит).
Витамин К (филлохинон, антигеморрагический). Витамин К1 является производным 2-метил-1,4-нафтохинона, содержащий в положении 3
боковую цепь (фитол). Выделен из люцерны. Витамин К2 выделен из
гниющей рыбной муки. Отличается от витамина К1 строением боковой цепи, представленной фарнезилдигеранилом. Витамин К3 (синтетический) не
имеет боковой цепи в положении 3. На его основе А.Б. Палладин синтезировал водорастворимый препарат викасол (натриевая соль бисульфитного
производного 2-метил-1,4-нафтохинона).
Для всасывания природных витаминов группы К (нафтахинонов) требуются желчные кислоты. В кровь они поступают в составе хиломикронов через
лимфу. Викасол может всасываться без желчных кислот и прямо поступает
в воротную вену и печень. Витамин К вначале аккумулируется в печени,
но быстро расходуется.
Биологическая роль: 1) витамин К стимулирует биосинтез в печени
четырех белковых факторов свертывания крови (II-протромбин; VIIпроконвертин; IX-фактор Кристмаса, или антигемофильный глобулин В;
Х-фактор Стюарта-Прауэра). 2) Витамин К действует как кофактор карбоксилазы на этапе посттрансляционной модификации глутаминовых остатков протромбина. Протромбин содержит 10 таких остатков, которые
карбоксилируются витамин К-зависимой карбоксилазой и затем хелатируются кальцием, что важно для свертывания крови. Реакция карбоксилирования требует СО и восстановленной (гидрохиноидной) формы витамина
К. В эндоплазматическом ретикулуме есть цикл восстановления продукта
карбоксилазной реакции витамина К (т.е. хиноидной формы в гидрохиноидную). Центральное место занимают две редуктазные реакции (в первой
используются дитиоловый восстановитель, во второй – НАДФ-зависимая
редуктаза). Первая реакция чувствительна к ингибирующему действию антикоагулянтов – варфарин (дикумаролы). Поэтому важнейшее терапевтическое использование вита-мина К – антидот при передозировке дикума161
роловых антикоагулянтов. 3) Описано участие витамина К в окислительном фосфорилировании, его многостороннее анаболическое действие,
функционирование в составе мембран.
Основной источник витамина К-микрофлора кишечника. Поэтому
суточная потребность условно выражается 0,2-0,3 мг. Возможно поступление нафтохинонов с пищей (шпинат, тыква, капуста, ягоды рябины, печень
животных). При нормальной микрофлоре кишечника у взрослых дефицита
витамина К не бывает. Основная причина гиповитаминоза К – это стерилизация кишечника антибиотиками и сульфаниламидными препаратами. У
новорожденных возможен дефицит витамина К, т.к. плацента его не пропускает, а кишечник стерилен. После родов витамин К в плазме падает, но
после еды восстанавливается. Если уровень протромбина низкий, возможно развитие геморрагического синдрома. Гиповитаминоз К бывает при
мальабсорбции, дисфункции гепато-билиарной и панкреатической систем,
при атрофии слизистой кишечника, сопровождает стеаторрею. Основные
проявления гиповитаминоза К связаны с нарушением внутрисосудистого
свертывания крови и кровоточивостью.
Для лечения – викасол (порошки, таблетки, растворы).
Витамин С (аскорбиновая кислота, антискорбутный). Аскорбиновая кислота является лактоном. Кислотные свойства этого соединения
обусловлены двумя енольными гидроксилами, которые способны к диссоциации (особенно в 3-м положении). Витаминная активность аскорбиновой кислоты определяется наличием лактонного кольца. После его раскрытия (2,3-дикето-L-гулоновая кислота) витаминная активность исчезает. Аскорбиновая кислота обратимо превращается в дегидро-аскорбиновую кислоту, которая является транспортной формой витамина.
O
O
C
C
2
Н
HO C
O C
O
O
HO C
O C
+2Н
H C
H C
HO C H
HO C H
CH2OH
CH2OH
Аскорбиновая кислота
Дегидроаскорбиновая кислота
Аскорбиновая кислота синтезируется из гулонолактона. Ферментов
этого синтеза нет у приматов, морских свинок. Поэтому для них аскорбиновая кислота – эссенциальный фактор пищи, т.е. витамин (у крыс и собак
витамин С может синтезироваться в организме).
Биологическая роль витамина С: 1) аскорбиновая кислота участвует
в создании окислительно-восстановительного потенциала в клетке и тем
самым влияет на активность ряда ферментов. ОВП системы аскорбиновая
162
кислота
дегидроаскорбиновая кислота равен 0,08 В. Поэтому аскорбиновая кислота может участвовать в восстановлении цитохромов с и а, кислорода, нитратов. 2) Оказывает защитное действие на гемоглобин, препятствуя его окислению. 3) Принимает участие в синтезе коллагена на этапе гидроксилирования пролина и лизина в оксипролин и оксилизин, что
повышает прочность коллагеновых волокон. 4) Способствует биосинтезу
хондроитинсульфатов соединительной ткани. 5) Участвует в обмене аминокислоты тирозин (участвует в биосинтезе адреналина на этапе гидроксилирования дофамина и предохраняет адреналин от окисления; участвует в
обмене тирозина на этапе окисления n-оксифенилпировиноградной кислоты в гомогентизиновую кислоту и ее окислении). 6) Участвует в образовании желчных кислот на этапе 7 -гидроксилирования предшественника. 7)
Участвует в синтезе фолиевой кислоты и через нее влияет на обмен нуклеиновых кислот и превращение рибозы в дезоксирибозу, косвенно активирует кроветворение и регенераторные процессы. Увеличивает всасывание железа. 8) В коре надпочечников содержится много аскорбиновой кислоты, которая используется в биосинтезе кортикостероидных гормонов.
Этот процесс усиливается кортикотропином. 9) Витамин С действует как
главный водорастворимый антиоксидант и может ингибировать образование нитрозаминов (канцерогены) при приеме пищи.
Суммарные физиологические эффекты: 1) повышение неспецифической резистентности. 2) Активация регенераторных процессов и кроветворение. 3) Поддержание функции ряда систем организма в условиях напряжения.
Источники: летом – шиповник, черная смородина, рябина, зеленый
лук, щавель, ягоды. Зимой – лук, капуста, картофель, ягоды без термической обработки. Витамин С нельзя хранить во влажной среде и на свету.
Суточная потребность: 70-120 мг. Недостаточность витамина С ведет к цинге (скорбут). Проявление: 1) общая слабость, утомляемость, сниженная резистентность организма; 2) кровоточивость десен, кровоизлияния из-за ломкости сосудов; 3) хрупкость костей, усиленный кариес зубов; 4) подавление
регенераторных процессов, развитие анемии.
Витамин Р (витамин проницаемости). Витамин Р – группа веществ,
являющихся производными флавона (дифенил-пропановый скелет, т.е. два
ароматических кольца соединены трехуглеродным алифатическим фрагментом): 1) витамин Р из листьев чайного дерева в качестве основного действующего начала содержит катехин. 2) Рутин из листьев гречихи (агликонкверцетин, сахар-рутиноза). 3) Из кожуры цитрусовых выделен гесперидин
(цитрин). Количество охарактеризованных биофлаваноидов из различных
источников с каждым годом увеличивается.
Биологическое действие витамина Р обусловлено связью с аскорбиновой кислотой: 1) витамин Р предохраняет аскорбиновую кислоту от превращения ее в дегидроаскорбиновую, а также восстанавливает дегидроа163
скорбиновую кислоту в аскорбиновую при участии глутатиона. 2) Есть
данные об участии витамина Р в процессах тканевого дыхания. 3) Регулирует проницаемость стенки капилляров (возможно, за счет торможения активности гиалуронидазы). 4) Биофлавоноиды являются водорастворимыми
антиоксидантами. 5) Для биофлавоноидов характерно гиполипидемическое действие.
Источники: в тех же продуктах, что содержат витамин С, много биофлавоноидов в цветах и листьях гречихи, плодах цитрусовых и др. Суточная потребность – 30-50 мг. Картина гиповитаминоза близка к таковой при недостатке витамина С, на первый план выходят поражения мелких сосудов. В связи с
этим эффективно применение препаратов витамина С и Р совместно: аскорутин, галаскорбин и катехины чая с аскорбиновой кислотой.
Витамин В1 (тиамин, антиневритный). В основе химического
строения тиамина лежит структура, состоящая из пиримидинового и тиазолового колец, соединенных метиленовым мостиком. Четвертичный азот
проявляет основные свойства, поэтому в кислой среде образуется соль в
виде тиаминхлорида. Тиамин устойчив в кислой среде и выдерживает нагревание до 140 С. В щелочной среде быстро разрушается. АТФ-зависимая
тиаминдифосфотрансфераза (преимущественно в мозге, печени) переводит
тиамин в активную форму – тиаминдифосфат (тиаминпирофосфат).
NH2
N
CH2
N
HC
C
C
CH3
CH2 CH2 OН
S
H3C
N
Тиаминдифосфат как кофермент участвует в двух типах важнейших
реакций:
1) окислительное декарбоксилирование -кетокислот (пирувата, кетоглутарата, а также кетоаналоги аминокислот с разветвленным радикалом – лейцина, изолейцина и валина); эти реакции занимают центральное
место в общем пути катаболизма. 2) Транскетолазные реакции в неокислительной ветви пентозофосфатного пути; в этих реакциях участвуют пентозофосфаты, необходимые для биосинтеза нуклеотидов.
Источники витамина В1: оболочки злаковых и бобовых, черный хлеб,
гречневая крупа, горох. В организме животных витамин В1 в наибольшем
количестве содержится в печени, почках, сердечной мышце, мозгах. Суточная потребность: 2-3 мг. При недостаточности витамина В1 развивается
заболевание бери-бери. На первый план выходит накопление пирувата,
пентозофосфатов и -кетоаналогов аминокислот с разветвленными радикалами (последние накапливаются преимущественно в нервной ткани). С
этими метаболическими нарушениями сопряжены ранние симптомы гиповитаминоза В1: 1) периферические нейропатии (онемение участков кожи,
164
покалывания, зуд и пр.), парестезия; 2) потеря аппетита, истощение; 3) дегенеративные изменения в нервной, сердечно-сосудистой и мышечной
системах; 4) многообразные метаболические нарушения и ухудшение процессов физиологической и репаративной регенерации. С дефицитом тиамина связана энцефалопатия Вернике. Она встречается у хронических алкоголиков. К гиповитаминозу В1 ведет однообразное высокоуглеродное
питание (сахар, полированный рис, белая мука). У некоторых рыб находят
термолабильный фермент – тиаминазу, который разрушает тиамин. Но
этот механизм едва ли важен для человека.
В лечении гиповитаминозных В1 состояний используют хлористые,
бромистые соли тиамина и тиаминдифосфат (кокарбоксилаза). При чрезмерном и длительном введении тиамина возможен гипервитаминоз по типу аллергических реакций: крапивницы, кожного зуда, одышки, судорог.
Витамин В2 (рибофлавин). В основе молекулы рибофлавина лежит
гетероциклическое соединение – изоаллоксазин (сочетание бензольного,
пиразинового и пиримидиновых колец), к которому в положении 9 присоединен спирт рибитол (6,7-диметил-9-D-рибитил-изоаллоксазин).
CH2
OH OH OH
CH CH CH CH2OH
Н3С
N
N
Н3С
N
O
NH
O
Рибофлавин хорошо растворим в воде, устойчив в кислых растворах,
но легко разрушается в нейтральных и щелочных растворах. Он весьма
чувствителен к видимым и ультрафиолетовым лучам и сравнительно легко
подвергается обратимому восстановлению, присоединяя водород по месту
двойных связей (1 и 10), превращаясь из оранжево-желтого раствора в бесцветную лейкоформу. Это свойство рибофлавина легко восстанавливаться
и окисляться лежит в основе биологического действия витамина В2.
В тканях рибофлавин входит в состав флавиновых ферментов – флавопротеидов в качестве простетической группы (присоединение к апоферментам через атом азота в 3-м положении). Часто в состав флавопротеидов
входят FeS-белки – металлофлавопротеиды. Кофакторную функцию рибофлавин выполняет в виде флафинмононуклеотида (ФМН) и флавинадениндинуклеотида (ФАД). ФМН синтезируется из свободного рибофлавина
при участии флавокиназы и АТФ. ФАД синтезируется из ФМН с помощью
АТФ и флавиннуклеотидфосфорилазы (ФАД-синтетазы).
Различают два типа реакций, катализируемых флавопротеидами: 1)
простые дыхательные системы – это прямое окисление субстрата с участи165
ем кислорода, перенос на него атомов водорода с образованием Н2О2 и выделением энергии в виде тепла: оксидазы L- и D-аминокислот; ксантиноксидаза (при деградации пуриновых азотистых оснований); альдегиддегидрогеназа (деградация альдегидов); 2) участие в сложных дыхательных системах (полная и укороченная цепи переноса электронов во внутренней
мембране митохондрий): сукцинатдегидрогеназа (дегидрирование метаболита цикла трикарбоновых кислот сукцината и направление протонов и
электронов в укороченную дыхательную цепь); ацил-КоА-дегидрогеназа
(первое дегидрирование ацил-КоА в -окислении жирных кислот и направление протонов и электронов в укороченную дыхательную цепь); глицерол-3-фосфатдегидрогеназа (транспорт восстановительных эквивалентов
через внутреннюю мембрану митохондрий – челночный
глицерофосфатный механизм в печени и дыхательных мышцах насекомых); НАДН-дегидрогеназа (перенос протонов и электронов от НАДН+Н+
матрикса митохондрий в полную цепь переноса протонов и электронов во
внутренней мембране митохондрий; разделение потоков протонов и электронов с помощью FeS-белков; дигидролипоилдегидрогеназа (фермент
окислительного декарбоксилирования -кетокислот, переносящий протоны
и электроны с восстановленного ФАД на НАД+ и последующем введении их
в полную цепь переноса электронов в митохондриальной внутренней мембране).
Источники: витамин В2 широко представлен в продуктах питания –
печени, почках, сердце, молоке, дрожжах и др. Суточная потребность: 2-4 мг.
При дефиците витамина В2 и витамина РР развивается пеллагра. Многие
симптомы дерматита исчезают при сочетанной терапии витаминами РР и
В2. При дефиците витамина В2 у людей развиваются хейлоз (поражение
уголков рта), ангулярный стоматит, глоссит (воспаление языка), поражения глаз (фотофобия, кератит, прорастание сосудов в роговую оболочку,
катаракта). Возможно развитие метаболических нарушений сердечной
мышцы и анемии. При остром авитаминозе В2 возможно развитие комы.
При подавлении кишечной микрофлоры антибиотиками и сульфаниламидными препаратами возможно проявление гиповитаминоза В2, т.к. рибофлавин может образовываться кишечной микрофлорой.
Витамин РР (никотинамид, никотиновая кислота, ниацин, антипеллагрический, В5). Витамин РР представляет собой соединение пиридинового ряда. Название витамина РР происходит от preventive pellagra
(предупреждение пеллагры).
O
C NH2
COOH
N
N
Никотиновая кислота Никотинамид
166
В обмене витамина РР ведущую роль играет биосинтез НАД + и
НАДФ+. Через эти коферменты реализуются основные биохимические
функции витамина РР. Известны три основных источника для образования
коферментных форм витамина РР: 1) никотинамид пищи, который дезаминируется в никотиновую кислоту; 2) никотиновая кислота пищи, из которой образуется никотинатмононуклеотид (НМН); 3) триптофан пищи. В
цитозоле клеток через ряд ферментативных стадий, требующих наличия
витамина В6, образуется хинолиновая кислота и из нее НМН. Затем из
НМН через стадию дезамино-НАД образуются НАД+ и при его фосфорилировании в 2'-положении НАДФ+. Считают, что 60 мг пищевого триптофана равноценно 1 мг ниацина (ниациновый эквивалент).
Никотинамидные нуклеотиды выполняют коферментную функцию в
двух типах реакций. 1) НАД+ входит в состав дегидрогеназ, катализирующих окислительно-восстановительные превращения пирувата (гликолиз),
изоцитрата, -кетоглутарата, малата (ЦТК) и др. Эти реакции чаще локализованы в митохондриях и служат для освобождения энергии в сопряженных митохондриальных цепях переноса протонов и электронов. 2)
НАДФ+ входит в состав дегидрогеназ (редуктаз), которые чаще локализованы в цитозоле или эндоплазматическом ретикулуме и служат для восстановительных синтезов (НАДФ-зависимые дегидрогеназы пентозофосфатного пути, синтез жирных кислот и холестерина, микросомальные и
митохондриальные монооксигеназные системы – синтез желчных кислот,
кортикостероидных гормонов).
Источники витамина РР: печень, почки, сердце животных, мясо, рыба, зерновые и бобовые продукты, овощи. Много ниацина в оболочках злаков и дрожжах.
Суточная потребность: 15-25 мг. Недостаточность витамина РР развивается: 1) при постоянном питании маисом. В маисе ниацин находится в
связанной форме – ниацитине (из него ниацин может освободиться при
обработке щелочью). 2) При постоянном питании сорго, зерна которого
содержат высокую концентрацию лейцина – ингибитора ключевого фермента превращения триптофана в НАД – хинолин-фосфорибозилтрансферазы. 3) Дефицит витамина В6 и его коферментной формы пиридоксальфосфата, необходимого для превращения триптофана в хинолиновую кислоту, усиливает дефицит ниацина. 4) Дефицит витамина РР возникает при длительном применении противотуберкулезного препарата изониазида. 5) При опухолевом карциноидном синдроме возможно усиленное
превращение триптофана в серотонин, но не в НАД. 6) При болезни Хартнупа нарушается абсорбция триптофана, что вторично ведет к дефициту
витамина РР. При сочетанном гиповитаминозе РР, В6 и В2 возникает заболевание пеллагра. Для пеллагры характерны три основных симптома (три
Д): 1) поражение кожи – дерматит; 2) поражение желудочно-кишечного
тракта – диаррея; 3) нарушение нервной деятельности – деменция. При
167
этом возникают разнообразные метаболические нарушения. Из организма
витамин РР выводится в виде метилникотинамида с мочой.
Витамин В6 (пиридоксин, антидерматитный). Термин «витамин В6»
объединяет три производных, обладающих витаминной активностью: пиридоксол, пиридоксаль, пиридоксамин. Фосфорилированные производные
пиридоксаля и пиридоксамина выполняют коферментную функцию витамина В6. Фосфорилированные и нефосфорилированные формы витамина
В6 всасываются в кишечнике и при этом происходит фосфорилирование
нефосфорилированных форм витамина В6.
H
O
CH2OH
CH2NH2
C
OH
OH
CH2OH
OH
CH2OH
CH2OH
H3C
N
H3C
N
H3C
N
Пиридоксол
Пиридоксаль
Пиридоксамин
Пиридоксальфосфат является главной транспортной формой витамина в плазме крови. В настоящее время известно более 20 пиридоксальзависимых ферментов, специфичность которых определяется апоферментами: 1) пиридоксальфосфат является простетической группой аминотрансфераз, катализирующих обратимый перенос аминогруппы от аминокислоты на -кетокислоту (образование заменимых аминокислот, непрямое дезаминирование и восстановительное аминирование аминокислот). 2) Декарбоксилирование аминокислот, ведущее к образованию биогенных аминов (простетическая группа декарбоксилаз). 3) Неокислительное дезаминирование серина, треонина, триптофана, серусодержащих аминокислот.
4) В составе мышечной фосфорилазы (димер) на каждый мономер приходится 1 моль пиридоксальфосфата. Считают, что пиридоксальфосфат участвует в фосфоролитическом распаде гликогена (мышечная фосфорилаза
содержит более 70-80% от всех запасов витамина В6).
Источники витамина В6: витамин широко распространен в природе,
синтезируется растениями и микроорганизмами, в том числе микрофлорой
кишечника. Наиболее богаты витамином В6 пивные дрожжи, печень, сердце, почки животных, мясо, рыба, цельное зерно злаков и их отруби, горох,
бобы, свежий зеленый перец. Суточная потребность – 2-3 мг, у беременных – 6-7 мг. Поскольку витамин В6 синтезируется микрофлорой кишечника, дефицит витамина В6 является редким. Гиповитаминоз В6 встречается при: 1) групповой недостаточности витаминов группы В; 2) подавлении
кишечной микрофлоры антибиотиками и сульфаниламидными препаратами; 3) дефицит витамина В6 может возникать у грудных детей, матери которых истощили запасы витамина В6 длительным пероральным приемом
контрацептивов (мало витамина В6 в молоке); 4) недостаточность витами168
на В6 возможна у алкоголиков, поскольку ацетальдегид стимулирует дефосфорилирование пиридоксальфосфата; 5) противотуберкулезный препарат изониазид может индуцировать В6-дефицит из-за образования гидразона с пиридоксалем, который быстро экскретируется. Недостаточность витамина В6 сопровождается возникновением дерматитов, стоматита, глоссита, конъюнктивита, гипохромной анемии, остановкой роста. При пеллагре часто имеется также недостаточность пиридоксина.
Витамин В3 (пантотеновая кислота). Пантотеновая кислота состоит
из -аланина и , -дигидрокси- , -диметилмасляной кислоты, связанных
пептидной связью.
O
CH3
НO CH2 C CHOH C NH CH2 CH2 CООН
CH3
Пантотеновая кислота представляет собой вязкую светло-желтую
жидкость, хорошо растворимую в воде. Она малоустойчива и легко гидролизуется по месту пептидной связи под действием слабых кислот и щелочей. Биологическая роль пантотеновой кислоты реализуется через кофермент А, в состав которого она входит: 1) фосфопантетеин – коферментная
форма витамина В3; 2) 4-фосфопантетеин – простетическая группа АПБ и
КоА.
Поскольку реакционноспособным участком молекулы КоА является
SH-группа, принято сокращенное написание – SH-КоА. Пантотеновая кислота в форме КоА участвует во многих биохимических реакциях. Сульфгидрильная группа SH-КоА служит для переноса ацильных остатков. SHКоА участвует в ряде важнейших метаболических процессов: 1) в обмене
углеводов – окислительное декарбоксилирование пирувата в ацетил-КоА и
-кетоглутарата (2-оксоглутарата) в сукцинил-КоА; 2) в -окислении жирных кислот на этапах активации до образования ацил-КоА и тиолитическом расщеплении с выделением ацетил-КоА и укороченного на 2 углеродных атома ацил-КоА; 3) в форме ацетил-КоА переносится остаток ацетила на холин с образованием медиатора – ацетилхолина; 4) в форме сукцинил-КоА инициируется синтез порфиринов; 5) в биосинтезе жирных кислот роль переносчика метаболитов в пальмитатсинтазном комплексе выполняет 4-фосфопантетеин; 6) ацетил-КоА используется для синтеза кетоновых тел, холестерина и стероидных гормонов. Ацетил-КоА занимает
центральное место в процессах взаимосвязи обменов углеводов, аминокислот и жирных кислот, это центральный метаболит общего пути катаболизма. Распространение: пантотеновая кислота (от греческого – присутствовать везде) широко представлена в продуктах питания животного (печень,
почки, яйца, мясо, молоко и др.) и растительного (картофель, капуста, фрукты и др.) происхождения. Суточная потребность точно неизвестна и ориентировочно составляет 10-15 мг. В связи с широкой представленностью вита169
мина В3 в продуктах питания картина авитаминоза В3 не встречается. При
гиповитаминозе пантотеновой кислоты возможны метаболические нарушения, вызванные выпадением функции SH-КоА. Симптоматика гиповитаминозного состояния весьма разнообразна: дерматиты, невриты, язвы слизистых пищеварительного тракта, нарушение продукции стероидных гормонов.
Витамин Н (биотин). Это первое вещество, которое было определено как необходимый ростовой фактор для микроорганизмов. Позже в 1916
году было показано токсическое действие сырого яичного белка на крыс.
Употребление печени или дрожжей снимало этот эффект. Фактор, предотвращающий развитие токсикоза, был назван витамином Н, или биотином
(от греческого bios – жизнь). В сыром яичном белке оказался гликопротеин-авидин, который обладал способностью связывать биотин с образованием нерастворимого в воде комплекса. Этот комплекс не переваривается
в пищеварительном тракте, что ведет к развитию авитаминоза Н. Молекула
биотина состоит из имидазолового и тиофенового колец, составляющих
гетероциклическую часть молекулы, а боковая цепь представлена валериановой кислотой.
O
HN
NH
S
(CH2)4 COOH
Биотин – компонент специфических олигомерных ферментов, которые катализируют реакции карбоксилирования. Карбоксилатный ион присоединяется к N1 биотина при образовании холофермента (карбоксибиотин-фермент). Этот этап требует HCO3-, АТФ, Mg2+, ацетил-КоА. Ацетил-КоА является при этом аллостерическим эффектором. Активная карбоксильная группа затем переносится на субстрат реакции. Примеры биотин-зависимых ферментов: 1) фермент пируваткарбоксилаза катализирует
первую реакцию превращения трехуглеродных предшественников в глюкозу (глюконеогенез). Ацетил-КоА – положительный модулятор реакции,
т. е. при его избытке стимулируется карбоксилирование пирувата. (Образованная ЩУК обеспечивает окисление большого количества молекул ацетил-КоА. Поскольку ЩУК образуется преимущественно из углеводов, а
ацетил-КоА образуется преимущественно из жирных кислот, говорят, что
«жиры горят в пламени углеводов»). 2) Ацетил-КоА-карбоксилаза катализирует образование малонил-КоА, играющего ведущую роль в биосинтезе
жирных кислот. 3) Путь превращения пропионата в сукцинат требует этапа
карбоксилирования, катализируемого пропионил-КоА-карбоксилазой. Это
важный путь метаболизма жирных кислот с короткой цепью углеродных
атомов и продуктов распада жирных кислот с нечетным числом углерод170
ных атомов. Особое значение этот путь имеет для взаимодействия кишечной микрофлоры и организма хозяина. 4) В катаболизме лейцина и некоторых изопреноидов участвует реакция, катализируемая -метил-кротонилКоА-карбоксилазой. Источники: витамин Н широко распространен в природных продуктах питания (печень, сердце, яичный желток, отруби, бобы,
соя, цветная капуста и др.). Витамин синтезируется кишечной микрофлорой. Суточная потребность – 150-200 мкг.
Авитаминоз Н у человека не встречается. Гиповитаминоз Н: 1) наследственный дефект фермента, который присоединяет биотин к лизиновым остаткам апофермента, вызывает симптомы биотиновой недостаточности, в том числе накопление субстратов биотин-зависимых ферментов в
моче
(лактат,
-метил-кротонат,
-гидроксиизовалериат,
гидроксипропионат). У детей с таким дефектом развиваются иммунодефицитные заболевания. 2) При подавлении кишечной микрофлоры сульфаниламидными препаратами и антибиотиками.
Проявление гиповитаминоза Н: дерматит, себоррея, облысение, параличи.
Фолиевая кислота (фолацин). Это соединение, построенное из производного птеридина, пара-аминобензойной кислоты (ПАБК) и глутаминовой кислоты.
OH
COOH
N
CH2 NH
C NH CH
O
CH2
NH2 N
N
CH2
COOH
Животные клетки не способны синтезировать параамино-бензойную
кислоту или присоединять глутамат к птероевой кислоте. Поэтому фолиевая кислота является эссенциальным (незаменимым) компонентом пищи,
т.е. витамином. В растениях фолиевая кислота представлена конъюгатом,
включающим 7 остатков глутаминовой кислоты, в печени животных содержится пентаглутамильный конъюгат. Фолиевая кислота отщепляется от
природных конъюгатов при переваривании в кишечнике и всасывается. В
клетках кишечника происходит гидрирование фолиевой кислоты: 1) с помощью НАДФН-зависимой фолатредуктазы вначале в 7,8-дигидрофолат
(ФН2); 2) затем в 5,6,7, 8-тетрагидрофолат (ФН4). Коферментной формой
фолиевой кислоты является тетрагидрофолиевая кислота (ФН4), которая
является переносчиком одноуглеродных групп. Эти группы присоединяются к N в 5 и 10 положениях.
N5-формил-ФН4 называют фолиниковой кислотой. N5-метил-ФН4 является главной формой дериватов фолиевой кислоты в крови. Фолиевая
кислота играет важную роль в метаболизме глицина, серина, глютамата,
N
171
гистидина, бетаина и холина. Ее производные играют роль в биосинтезах
путем включения формильного углерода в пуриновый скелет и в синтезе
тимина. У низших организмов фолиевая кислота необходима для образования N-формилметионина – инициирующей аминокислоты в синтезе белка. Источники: свежие овощи – салат, капуста, морковь, помидоры, лук.
Суточная потребность – 50-200 мкг. При недостатке фолацина развивается
мегалобластическая анемия (в крови незрелые ядросодержащие эритроциты – мегалобласты, мегалоциты). Лечение фолацином до 200 мг per os или
10-20 мг в/в. В сочетании с витамном В12 доза уменьшается.
Витамин В12 (цианкобаламин, антианемический). Это единственный
металлосодержащий витамин (кобальт). В витамине В12 четыре пиррольных кольца образуют планарную (плоскостную) структуру: I, II, III и IV
пиррольные кольца связаны через метиленовые мостики, IV и I – кольца
непосредственно, в центре расположен атом кобальта. Эта система колец
называется коррин. Перпендикулярно плоскости коррина расположен нуклеотид, содержащий 5,6-диметилбензимидазол, -D-рибозу и остаток фосфорной кислоты. В витамине В12 у 13 из 19 углеродных атомов, составляющих ядро коррина, водород полностью замещен метильными группами, ацетамидными и пропионамидными радикалами. Пропионамидный радикал при кольце IV через изопропиловый спирт связан с фосфатным остатком нуклеотида. Одним из атомов азота диметилбензимидазол координационно связан с атомом кобальта. Атом кобальта трехвалентен и ковалентно связан с группой СN. Вся структура получила название цианкобаламина или кобаламина, поскольку считают, что цианид-ион является артефактом, зависящим от способа выделения. Коэнзимные формы витамина
вместо цианида содержат аденозильную или метильную группу.
Кобаламины:
R-CN (цианкобаламин-промышленная форма)
R-OH - гидроксикобаламин
R-CH3 - метилкобаламин
коферментные формы
R-5'-дезоксиаденозилкобаламин
витамина В12
Эти коэнзимные формы часто называют корриноидные коэнзимы.
Кобаламины растворимы в воде, термостабильны и устойчивы в присутствии растворов кислот при рН 4,0. Кобаламин-связывающие белки, известные как «R-протеины», секретируются слюнными железами и желудком и
связывают кобаламины при кислом рН. «R-протеины» в норме разрушаются панкреатическими протеазами. Затем кобаламины связываются внутренним фактором Кастла. Абсорбция витамина В12 в илеум требует предварительного освобождения витамина В12 в желудке в присутствии НСl.
Поэтому поступление витамина В12 во внутреннюю среду организма требует наличия нормальных кислотности желудочного сока и функции поджелудочной железы. Внутренний фактор Кастла – это низкомолекулярный
специфический гликопротеин, не чувствительный к протеолизу. Он секре172
тируется париетальными клетками слизистой кардии и дна желудка. После
освобождения от «R-протеинов» кобаламины связываются внутренним
фактором Кастла и этот комплекс пересекает слизистую илеум. Витамин
В12 освобождается от внутреннего фактора Кастла и связывается в плазме
крови с транспортирующим белком – транскобаламином II. В печени и
плазме крови имеется транскобаламин I. Этот белок выполняет уникальную роль – хранение, резервирование водорастворимого витамина в печени и в плазме крови (циркулирующий резерв). Основная транспортная
форма в крови – метилкобаламин. Кобаламин связывается с рецептором на
поверхности плазматической мембраны клеток и затем интернализуется. В
цитозоле клеток свободный витамин превращается в гидроксикобаламин и
метилкобаламин, а в митохондриях – в аденозилкобаламин (5'дезоксиаденозилкобаламин). При отсутствии внутреннего фактора Кастла
нет абсорбции витамина В12. В этих условиях его вводят парентерально.
Ферментативные реакции, катализируемые кобаламидными коферментами:
1) превращение метилмалонил-КоА в сукцинил-КоА в животных
тканях (фермент L-метилмалонил-КоА мутаза и кофермент 5'дезоксиаденозилкобаламин). Эта реакция происходит в митохондриях. Это
ключевая реакция включения пропионата в метаболизм, а конкретнее – в
глюконеогенез. Метилмалоновая кислота появляется в моче больных пернициозной анемией и исчезает при лечении витамином В12. Неврологические симптомы при пернициозной В12-дефицитной анемии связаны с накоплением метилмалоновой кислоты.
2) В цитозоле клеток метилкобаламин является коферментом взаимосвязанных превращений гомоцистеина в метионин и метил-ФН4 (метилТГФК) в ФН4 (ТГФК)
В12 метилтрансфераза
N -метил ФН4
метил-В12 + ФН4;
Гомоцистеин + метил-В12
метионин + В12
В этой реакции метильная группа связывается с кобаламином и переносится на гомоцистеин с образованием метионина; ФН4 образуется при
передаче метильной группы N5-метил ФН4 на витамин В12. Эта реакция
важна для процессов метилирования и трансметилирования (синтез метионина, пуриновых, пиримидиновых оснований и др.). При дефиците витамина В12 фолат постоянно находится в форме N5-метил ФН4 (фолатная ловушка), в связи с чем нарушен перенос одноуглеродных фрагментов. Это
приводит к нарушению синтеза тимидилата и ДНК.
3) Витамин В12 требуется для превращения D-рибонуклеотидов в дезокси-D-рибонуклеотиды. Эту реакцию у прокариот катализирует специфическая рибонуклеотид-редуктаза. Механизм, используемый в эритропоэзе и повышении числа эритроцитов после введения витамина В 12, реали5
173
зуется через биосинтез ДНК, благодаря освобождению фолата (ФН4) из
фолатной ловушки (N5-метил-ФН4).
Источники: витамин В12 отсутствует в растениях, но образуется микроорганизмами. Активно синтезируется витамин В12 организмами группы
Streptomyces, в связи с чем витамин В12 – сопутствующий продукт при получении стрептомицина. Витамин В12 содержится в животных тканях, особенно в печени, в молоке, яичном желтке. Витамин В12 вырабатывается
кишечной микрофлорой. Суточная потребность – 2-5 мкг. Недостаточность витамина В12 (внешнего фактора Кастла, необходимого для гемопоэза) возможна при опухолях желудка, гастроэктомиях, долговременной
стерилизации кишечника. Как правило, причиной развивающегося дефицита витамина В12 является абсолютная или относительная недостаточность внутреннего фактора Кастла. При В12-дефиците развивается пернициозная анемия. Нарушаются синтез метионина, ДНК, образование эритроцитов. Из-за дефицита ФН4 (ТГФК) повреждается синтез пуриновых и
пиримидиновых оснований. В моче – гомоцистеинурия и метилмалонилацидурия. Вторично развиваются неврологические расстройства.
БИОХИМИЯ МЫШЦ
Различают 2 группы мышечных белков: саркоплазматические и миофибриллярные. Саркоплазматические белки экстрагируются из мышц солевыми растворами с малой ионной силой. К ним относятся миоглобин, способный связывать кислород, ферменты гликолиза, ферменты митохондрий,
белки, участвующие в обмене Са – кальсеквестрин и белок «с высоким
сродством к кальцию». Миофибриллярные белки экстрагируются из мышц
солевыми растворами с высокой ионной силой. Эти белки составляют основу молекулярной структуры миофибрилл.
Молекулярная структура миофибрилл. Миофибрилла поперечно
исчерчена и содержит: 1) А-диск, темный, сильное двойное лучепреломление (анизотропный диск) – 1,5-1,6 мкм; 2) I-диск, светлый, изотропный
диск – 1 мкм. 3) Z-линия (ширина = 80 нм) пронизывает поперек все волокно, что обеспечивает удержание фибрилл в пучки и упорядоченное
расположение А- и I-дисков многих фибрилл. Пучок миофибрилл от одной
до другой Z-линии образует саркомер (Z-Z = 2,5-3,0 мкм). Каждый саркомер включает: 1) сеть поперечных трубочек, ориентированных под прямым углом к продольной оси волокна и соединяющихся с наружной поверхностью клетки; 2) саркоплазматический ретикулум, составляющий 810% объема клетки; 3) несколько митохондрий. Миофибрилла скелетной
мышцы состоит из сократительных элементов – саркомеров. Саркомеры
содержат параллельными белковые нити двух типов – тонкие и толстые.
174
Толстые нити содержат миозин, тонкие – актин, тропомиозин, тропонин. Каждая толстая нить окружена шестью тонкими. Толстые нити образованы белком миозином. Миозин (м.м. 500000 Да), состоит из двух тяжелых полипептидных цепей и четырех легких. N-конец каждой тяжелой
цепи имеет глобулярную форму, образуя «головку» молекулы. К каждой
из головок нековалентно присоединены по 2 легкие цепи. С-конец тяжелой
цепи имеет конформацию альфа-спирали. Головка миозина присоединена
к остальной части молекулы гибким участком. Это позволяет головке обратимо присоединяться к актину. Палочкообразные хвосты молекул миозина могут соединяться друг с другом, образуя пучки, головки будут располагаться вокруг пучка по спирали. В области М-линии пучки соединяются «хвост к хвосту», образуя миозиновые нити саркомера. В головке
миозина есть центры связывания с актином и АТФ. Она способна гидролизовать АТФ на АДФ+Рн, т.е. обладает ферментативной активностью. Присоединение АТФ к миозину и гидролиз АТФ происходит очень быстро.
Однако отщепление продуктов гидролиза АДФ и Рн от миозина происходит медленно.
Тонкие нити. Основным белком тонких нитей является актин. Актин имеет центры связывания с миозином. Он бывает в двух формах: глобулярной – G-актин (м.м. 43000 Да) и фибриллярной – F-актин. F-актин
образуется при полимеризации G-актина, это двухцепочечная спираль из
мономеров G-актина (бусы).
Тропомиозин – двухцепочечная альфа-спирализованная палочковидная
молекула м.м. 70000 Да. Располагается в желобке между цепями F-актина. В
покое тропомиозин закрывает в G-актине центры связывания с миозином. Длина молекулы тропомиозина равна семи глобулам G-актина.
Тропонин – м.м. 76000 Да, состоит из трех субъединиц с глобулярной
структурой, расположен на концах каждой молекулы тропомиозина. Субъединица Т обеспечивает связывание с тропомиозином, субъединица С образует связь с Са2+, субъединица I расположена таким образом, что в покое
мешает взаимодействию актина с миозином. Между собой актин, тропомиозин и тропонин связаны нековалентными связями. В последние годы широкое распространение получило определение тропонинов Т и I в сыворотке
крови при диагностике инфаркта миокарда.
Биохимические механизмы мышечного сокращения и расслабления. Большую роль в этом процессе играют ионы Са и саркоплазматические
белки кальсеквестрин и белок с высоким сродством к Са. Эти белки расположены в цистернах саркоплазматического ретикулума. Саркоплазматический ретикулум – это внутриклеточная мембранная система, окружающая
мышечные нити. В цистернах ионы Са связаны с кальсеквестрином и «белком с высоким сродством к Са». Кальсеквестрин – кислый гликопротеин с
м.м. 45000 Да, способен присоединять 45 молекул Са, второй белок – м.м.
55000 Да связывает 25 молекул Са. Эти белки расположены на внутренней
175
мембране ретикулума. Перенос Са из цистерн происходит по градиенту концентрации простой диффузией; перенос Са2+ из цитоплазмы в цистерны –
против градиента при участии Са2+-зависимой АТФазы и затраты АТФ. В состоянии покоя система активного транспорта накапливает Са в цистернах.
Сокращение мышцы начинается с прихода потенциала действия на концевую
пластинку двигательного нерва. В синапс выделяется ацетилхолин, который
связывается с постсинаптическими рецепторами мышечного волокна. Далее
потенциал действия распространяется вдоль сарколемы к поперечным трубочкам Т-системы. В области Z-линий происходит передача сигнала от поперечных трубочек на цистерны саркоплазматического ретикулума.
Деполяризация мембран цистерн приводит к освобождению Са и началу мышечного сокращения. 1) Са связывается с субъединицей С тропонина. Это изменяет конформацию всей молекулы тропонина – субъединица I перестает мешать взаимодействию актина с миозином; изменение
конформации субъединицы Т передается на тропомиозин. 2) Тропомиозин
поворачивается на 20 и открывает закрытые ранее центры в актине для
связывания с миозином. 3) Головка миозина, которая в покое представляет
собой комплекс М+АДФ+Рн, присоединяется к актину перпендикулярно.
Причем актин обладает к этому комплексу большим сродством (образование поперечных мостиков). 4) Присоединение актина вызывает быстрое
освобождение АДФ и Рн из миозина. Это приводит к изменению конформации и головка миозина поворачивается на 45% (рабочий ход). Поворот
головки, связанной с актином, вызывает перемещение тонкой нити относительно миозина. 5) К головке миозина, вместо ушедших АДФ и Рн,
вновь присоединяется АТФ, образуя комплекс М + АТФ. Актин обладает к
нему малым сродством, это вызывает отсоединение головки миозина (разрыв поперечных мостиков). Она вновь становится перпендикулярно около
тонкой нити. 6) В головке миозина, не связанной с актином, происходит
гидролиз АТФ. Вновь образуется комплекс АДФ + Рн + миозин и все повторяется с 3-го пункта. После прекращения действия двигательного импульса Са2+ с помощью Са2+-зависимой АТФазы переходит в саркоплазматический ретикулум. Уход Са из комплекса тропонина приводит к смещению тропомиозина и закрытию активных центров актина, делая его неспособным взаимодействовать с миозином. Мышца расслабляется.
Энергетика мышц. АТФ, необходимая для выполнения мышечной
работы, образуется при использовании трех видов источников: 1) алактатных анаэробных (использование АТФ и креатинфосфата); 2) лактатных
анаэробных (использование гликогена) и 3) аэробных (окисление субстратов). Мышца потребляет огромное количество энергии. То количество
АТФ, которое имеется в мышце, может поддержать сократительную активность всего лишь на протяжении доли секунды. Однако в мышцах позвоночных богатые энергией фосфатные связи запасаются в виде креатинфосфата. Это соединение в термодинамической шкале стоит выше АТФ,
176
поэтому при участии креатинкиназы может происходить перенос фосфата
от креатинфосфата к АДФ.
Креатинфосфат + АДФ
АТФ + креатин
В работающей мышце запас креатинфосфата быстро истощается, а,
следовательно, снижается и содержание АТФ. При этом возрастает концентрация АДФ и Рн, а также уровень АМФ при участии миокиназы (аденилаткиназа).
2АДФ
АТФ + АМФ
Накопление АМФ, АДФ приводит к стимуляции гликолиза, ЦТК и
окислительного фосфорилирования, что обеспечивает восстановление резервов АТФ и креатинфосфата. В скелетных мышцах, кроме адениловых
нуклеотидов (АТФ, АДФ, АМФ), креатинфосфата, креатина содержатся и
другие небелковые азотистые вещества – карнозин (бета-аланил-гистидин)
и ансерин (N-метилкарнозин). Это имидазолсодержащие дипептиды. Синтезируются из конечного продукта распада пиримидиновых нуклеотидов –
бета-аланина. Эти соединения активируют Na+,K+-АТФазу, а также увеличивают амплитуду мышечного сокращения, предварительно сниженную
утомлением. Скелетные мыщцы содержат медленные (красные) – I тип и
быстрые (белые) – II тип волокна. Для волокон I типа характерны окислительные процессы, они содержат миоглобин и митохондрии. Тип II волокон получают энергию из анаэробного гликолиза. При тренировке можно
изменить состав мышц: у марафонцев преобладает I тип, у спринтеров – II
тип волокон. Спринт: работают волокна II типа (гликолитические). В первые 5 секунд тратится креатинфосфат как источник энергии. Затем используется глюкоза, полученная из гликогена и дающая энергию в гликолизе.
Гликоген мышц быстро истощается. Марафон: работают волокна I типа
(окислительные). Основной источник энергии – АТФ. АТФ образуется при
тканевом превращении глюкозы и жирных кислот крови. Гликоген мышц
истощается медленно.
Утомление – состояние организма после длительной и напряженной
физической нагрузки; сигнал о приближающихся грубых нарушениях метаболизма (активация катаболических процессов). Биохимические сдвиги
включают развитие гипоэнергетического состояния, снижение продукции
гормонов, снижение активности ферментов аэробного метаболизма,
уменьшение величины рН (ацидоз). В состоянии утомления снижается активность ферментов аэробного окисления субстратов, в связи с чем нарушается сопряжение реакций окисления с синтезом АТФ. Для поддержания
концентрации АТФ на должном уровне происходит усиление гликолиза,
которое приводит к накоплению молочной кислоты и, как следствие, к закислению внутренних сред организма. С увеличением концентрации молочной кислоты происходит снижение рН крови. При выполнении интенсивных физических нагрузок спортсменами можно наблюдать снижение
рН на 0,2-0,3 единицы. Снижение рН в мышцах отражается на скорости
177
сократительных процессов; снижается активность Са2+-актомиозиновой
АТФазы, уменьшается скорость максимального сокращения актомиозинового комплекса, увеличивается связывание катионов кальция с белками
саркоплазматического ретикулума, изменяется активность ключевых ферментов гликолиза (фосфофруктокиназы) и фосфорилазы. Внутриклеточный ацидоз приводит к усилению катаболизма мышечных белков, что сопровождается повышением содержания мочевины.
Биохимические процессы в период отдыха после работы. Активируются анаболические процессы, а также энергетические процессы.
Анаболические процессы нуждаются в затратах энергии в форме АТФ, поэтому наиболее выраженные изменения обнаруживаются в сфере энергетического обмена, так как в период отдыха АТФ постоянно тратится, и,
следовательно, запасы АТФ должны восстанавливаться. Анаболические
процессы в период отдыха обусловлены катаболическими процессами, которые совершались во время работы. Во время отдыха ресинтезируются
АТФ, креатинфосфат, гликоген, фосфолипиды, мышечные белки, приходит в норму вводно-электролитный баланс организма, происходит восстановление поврежденных клеточных структур. При срочном восстановлении (30-90 мин после работы) устранение накопившихся во время работы
продуктов метаболизма. Молочная кислота окисляется в пировиноградную
кислоту (фермент лактатдегидрогеназа). Образовавшийся NADH и пируват
дегидрируются и в процессе переноса протонов и электронов по цепи переноса электронов в митохондриях образуется энергия методом окислительного фосфорилирования. Отставленное восстановление (12-48 ч)
включает процессы ресинтеза гликогена в мышцах и печени. В основе этого процесса лежит суперкомпенсация – это превышение запасов энергетических веществ в период отдыха над исходным уровнем. Затем идет волнообразное изменение концентрации гликогена до нормальных значений.
Длительность фазы суперкомпенсации зависит от продолжительности выполнения работы и глубины вызываемых ею биохимических сдвигов в организме. Мощная кратковременная работа вызывает наступление и быстрое завершение фазы суперкомпенсации: при восстановлении внутримышечных запасов гликогена фаза суперкомпенсации обнаруживается через 3-4 ч, а завершается через 12 ч. После длительной работы умеренной
мощности суперкомпенсация гликогена наступает через 12 ч и заканчивается в период от 48 до 72 ч после окончания работы. Причина суперкомпенсации гликогена связана прежде всего с повышенной концентрацией
инсулина после работы; в зависимости от характера работы наибольшая
концентрация инсулина наблюдается через 30-120 мин после ее окончания.
Содержание инсулина повышает активность гликогенсинтазы и снижает
активность фосфорилазы. После ресинтеза энергетических запасов организма значительно усиливаются процессы ресинтеза фосфолипидов и белков (12-72 ч).
178
Биохимические показатели натренированности организма: повышение запасов энергетических ресурсов в тканях, включая мышцы;
расширение потенциальных возможностей ферментов; совершенствование
механизмов регуляции обмена веществ с участием нервной и эндокринной
систем. Срочный тренировочный эффект определяется величиной и характером биохимических изменений в организме, происходящих во время
действия физической нагрузки и в период восстановления (30-90 мин после окончания работы) когда идет ликвидация кислородного долга. Отставленный тренировочный эффект наблюдается на поздних фазах восстановления после физической нагрузки. Сущность его составляют процессы, направленные на восполнение энергетических ресурсов (гликоген,
АТФ, креатинфосфат) и ускоренную регенерацию поврежденных при работе клеточных структур. Кумулятивный тренировочный эффект возникает как результат последовательного суммирования следов многих нагрузок или большого числа срочных и отставленных эффектов. В кумулятивном тренировочном эффекте воплощаются биохимические изменения, связанные с усилением синтеза нуклеиновых кислот и белков и наблюдаемые
на протяжении длительного периода тренировки. Кумулятивный тренировочный эффект выражается в приросте показателей работоспособности и
улучшении спортивных достижений.
Существует четыре основных принципа спортивной тренировки: повторность, регулярность, правильное соотношение работы и отдыха, постепенное увеличение нагрузок. Под влиянием тренировки существенно
улучшаются показатели физической работоспособности. Так, аэробная
мощность начинающих спортсменов составляет 45 мл/кг мин, а спортсменов международного класса – 90 мл/кг мин; алактатная мощность – 60
ммоль/кг мин для начинающих и 102 ммоль/кг мин для мастеров международного класса; гликолитическая мощность – 20 ммоль/кг мин и 35
ммоль/кг мин лактата, соответственно.
Реабилитация, восстановление организма после нагрузок – это
биологическое уравновешивание организма, его отдельных функций, органов, тканей, клеток после интенсивной мышечной и другой работы. Существуют следующие методы восстановления: 1) рациональное питание; 2)
рациональный режим; 3) бальнеологические методы; 4) физиотерапевтические методы; 5) массаж; 6) фармакологические методы; 7) психологические методы. Каждый из этих методов имеет биохимическую составляющую, определяющую молекулярную сущность восстановительных процессов.
179
РОЛЬ БИОХИМИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ В
СПОРТИВНОЙ МЕДИЦИНЕ
Современные спортивные нагрузки предъявляют чрезвычайные требования к спортсмену и приводят к необходимости применения различных
диетических и фармакологических средств с целью профилактики и лечения предпатологических и патологических состояний, для ускорения процессов восстановления и повышения работоспособности. Постоянный рост
национальных и мировых спортивных достижений и связанные с этим все
возрастающие физические и психологические нагрузки в период трейнинга
и соревнований приводят к омоложению спорта, появлению новых видов
спорта и проблем, связанных с переносимостью физических нагрузок.
Классификация видов спорта. Все виды физической деятельности
подразделяются по степени нагрузок на очень высокие, высокие, средней и
низкой интенсивности. Это соответствует уровню спортивной квалификации спортсменов экстра-класса (олимпийских чемпионов и чемпионов мира), мастеров спорта международного класса, мастеров спорта, разрядников, лиц, занимающихся физической культурой, не занимающихся физической культурой и занимающихся лечебной физкультурой с целью реабилитации тех или иных функций при помощи дозированной двигательной активности. Однако, все они на своем уровне имеют пределы своих возможностей, которые ограничивают физическую работоспособность человека.
Следует иметь в виду, что эти факторы, лимитирующие работоспособность, зависят от вида физической деятельности, которая может быть подразделена в соответствии с классификацией видов спорта на 5 основных
групп.
1. Циклические виды спорта с преимущественным проявлением выносливости (бег, плавание, лыжный, велосипедный, конькобежный спорт,
все виды гребли и другие), когда одно и то же движение повторяется многократно. Этот вид деятельности требует расходования большого количества энергии, а сама работа выполняется с высокой и очень высокой интенсивностью.
2. Скоростно-силовые виды, когда главным качеством является выполнение взрывной, короткой по времени и очень интенсивной физической деятельности (все спринтерские дистанции, метания, тяжелая атлетика и другие). В большинстве случаев скорость зависит от генетических детерминант и мало поддается как тренировке, так и влиянию лекарственных
средств. Различают циклическую последовательность моторных действий
(бег) и ациклическую (бросок).
3. Спортивные единоборства представляют собой весьма многочисленные виды физической деятельности (все виды борьбы, бокс и другие).
Характерной чертой расходования энергии при единоборствах является не
постоянный, циклический уровень физических нагрузок, зависящий от
180
конкретных условий соперничества, достигающих порой очень высокой
интенсивности.
4. Игровые виды спорта характеризуются постоянным чередованием
интенсивной мышечной деятельности и отдыха в моменты, когда спортсменыне задействованы непосредственно в игровых эпизодах. При этом
помимо выносливости большое значение имеют координация движений и
психическая устойчивость.
5. Сложнокоординационные виды основаны на тончайших элементах
движения, что характерно для фигурного катания, гимнастики, прыжков в
воду, стрельбы, где требуется значительная выдержка и внимание. При
этом физические нагрузки варьируют в широких пределах.
Существуют также сложнотехнические виды, связанные с применением технических средств (автогонки, бобслей, парашютный спорт и другие), когда на первое место выходят нервнопсихические нагрузки. В многоборьях имеется сочетание различных видов физической деятельности
человека. Проблема восстановления и поддержания на высоком уровне интеллектуальной и физической формы является важной на соревнованиях
по шахматам и шашкам.
Основные термины и определения. Существует ряд терминов
спортивной медицины, которые связаны с биохимическими процессами.
1. Выносливость – это способность организма противостоять утомлению. Она измеряется временем и напрямую зависит от интенсивности
выполняемой нагрузки. В самой общей форме утомление определяют как
обратимое нарушение физиологического и биохимического гомеостаза,
которое компенсируется в посленагрузочном периоде. Выносливость
включает в себя два отдельных, но взаимосвязханных понятия – мышечную выносливость и кардиореспираторную выносливость. Каждая из них
вносит свой вклад в тот или иной вид спортивной деятельности, в связи с
чем их значение для представителей различных видов спорта неодинаково.
2. Мышечная выносливость особенно характерна для спринтеров.
Она отражает способность отдельной мышцы или группы мышц выдерживать высокоинтенсивную, повторяющуюся (бег на спринтерские дистанции) или статическую нагрузку (тяжелая атлетика, борьба). При этом мышечная деятельность может быть ритмичной или повторяющейся (бокс) и
статической (борьба). В этом случае результирующее утомление возникает
в определенной мышечной группе, а продолжительность мышечной нагрузки исчисляется секундами. Мышечная выносливость тесно связана с
мышечной силой и анаэробной произвидительностью энергии.
3. Кардиореспираторная выносливость связана со способностью организма выдерживать длительную циклическую нагрузку и характеризует
возможности всего организма в целом. Этот тип выносливости характерен
для бегунов, велосипедистов, пловцов, преодолевающих длинные дистанции с относительно высокой скоростью. Кардиореспираторная выносли181
вость напрямую зависит от развития и функционирования сердечнососудистой и дыхательной систем и характеризуется аэробными возможностями производства энергии.
4. Максимум потребления кислорода (МПК) является основным показателем эффективности кардиореспираторной системы и определяется
наибольшим количеством кислорода, которое человек способен потреблять в течение одной минуты, или максимальной интенсивностью утилизации кислорода при предельной изнурительной нагрузке.
5. При напряженной мышечной деятельности на определенном этапе
наступает несоответствие между потребностью в кислороде работающими
мышцами и его доставкой. В этих условиях активируются бескислородные
(анаэробные) пути энергообеспечения. Накопление недоокисленных продуктов обмена (метаболиты углеводного и липидного обмена) приводит к
нарушению кислотно-щелочного состояния крови, снижению емкости буферных оснований и рН крови. Устранение кислых метаболитов связано с
повышенным потреблением кислорода в восстановительном периоде. Эта
излишняя, по сравнению с уровнем покоя,величина потребления кислорода
называется общим кислородным долгом (КД). Поэтому величина КД определяется количеством метаболитов аэробного обмена. Анаэробная производительность спортсмена зависит как от возможности тканевых систем к
энергообразованию в условиях гипоксии, так и от способности спортсмена
продолжать работу при критических изменениях рН внутренней среды организма.
Из наиболее валидных физиологических и биохимических показателей, служащих оценками мощности, емкости и эффективности аэробных
и анаэробных процессов, следует указать на прямые измерения МПК, КД,
максимума накопления молочной кислоты в крови, наибольшего сдвига рН
крови.
Рабочая классификация метаболитов и лекарств, оптимизирующих физическую работоспособность. Согласно Ю.Г.Бобкову и
В.М.Виноградову выделяют три группы веществ для оптимизации физической деятельности человека.
1. Стимуляторы «Мобилизирующего типа»:
1.1. Адреномиметики непрямого или смешанного действия (фенамин
и его аналоги).
1.2. Вещества с общестимулирующим действием на ЦНС - аналептики (стрихнин, секуринин, кофеин и содержащие его напитки.
1.3. Ингибиторы моноаминооксидазы – ниаламид и др.
2. Стимуляторы «экономизирующего типа»:
2.1. Антигипоксанты – препараты группы гутимина, цитохром С, соединения металлов с переменной валентностью, коэнзим Q (убихинон) и его аналоги.
182
2.2. Актопротекторы – производные бензимидазола, ацетилена и
других.
2.3. Некоторые психоэнергизаторы и ноотропы – ацефен, мефексамид и их аналоги (пирацетам и аналоги; тонибрал и аналоги; эуклидан, панклар и другие).
2.4. Энергодающие соединения и метаболиты (фосфорилированные
гексозы, аминокислоты, янтарная, яблочная, альфа-кетоглютаровая
кислоты).
3. Препараты растений с различным механизмом действия.
3.1. Преобладают адаптагенные и экономизирующие свойства (препараты женьшеня, элеутерококка, золотого корня).
3.2. Преобладают умеренно выраженные стимулирующие свойства
(препараты китайского лимонника, стеркулии, левзеи и другие).
Многие препараты, которые стимулируют физическую работоспособность, оказывают оптимизирующее влияние и на процессы умственной
работоспособности, внимания, психической устойчивости и координации
движений.
Тестирование физической работоспособности у человека. В нагрузочном тестировании обычно используется один из четырех видов эргометрии: 1) велоэргометр, работа сидя или в положении лежа); 2) ступенька или степэргометрия; 3) тредбан (бегущая дорожка; 4) ручной эргометр. Простым методическим приемом для оценки работоспособности является степ-тест, который выполняется на ступеньках различной высоты.
Для расчета объема выполненной работы используется формула:
W=1,5(P h n) кгм/мин, в которой W – мощность работы; Р – масса
тела (кг); h – высота ступеньки; n – число подъемов на ступеньку.
Широкое распространение в спортивной практике получила проба
PWC 170: физическая работоспособность при частоте сердечных сокращений, равной 170 уд/мин. Эту пробу нельзя применять для оценки эффективности лекарств в спортивной медицине.
Лабораторные исследования в спортивном тестировании. Наибольшее распространение имеют стандартизованные лабораторные процедуры, осуществляемые на специализированных компьютеризованных
стендах, включающих газоаналитическую компьютерную систему с велоэргометром и тредмилом лактатного автоматического анализатора для определения накопления молочной кислоты в крови (или набора реактивов
для ручного определения), аппаратом для регистрации изменений кислотно-щелочного состояния в организме спортсмена. В более простом варианте характер энергообеспечения нагрузки можно оценить с помощью диагностического комплекса, в который помимо велоэргометра или тредбана
входит газоанализатор, блок наблюдения за деятельностью сердечнососудистой системы.
183
Наиболее информативным тестом для лабораторной оценки уровня
работоспособности спортсмена признан тест ступенчато-возрастающей нагрузки. Этот тест помимо работоспособности позволяет оценить максимальный уровень энергетических возможностей спортсменов в тех видах
спорта, где требуется проявление выносливости и метаболические изменения существенно ограничивают работоспособность спортсмена. В качестве
тестирующей нагрузки обычно используется бег на тредмиле или работа
на велоэрголметре с постепенно возрастающей интенсивностью.
При использовании велоэргометра в качестве нагрузочного теста
обычно выбирается ступенчато-возрастающая нагрузка «до отказа». Мощность начальной нагрузки при этом составляет 1 ватт на 1 кг массы тела с
увеличением на исходную величину на каждой ступени продолжительностью по 3 мин при скорости вращения педалей 60 об/мин. В качестве другой модели велоэргометрической нагрузки (для спортсменов с большой
массой тела – обычно спортсмены, занимающиеся академической греблей)
может быть предложена модель с мощностью начальной нагрузки 100 ватт
для женщин и 200 ватт для мужчин с приростом по 50 ватт на каждой ступени продолжительностью 2 минуты.
С помощью газоанализатора в покое (до нагрузки), каждые 30 сек
выполнения нагрузки и в течение 10 мин восстановления автоматически
регистрируются концентрации кислорода и углекислого газа в выдыхаемом воздухе, частота дыхания и ряд производных от этих показателей в
расчете на 1 кг массы тела. В капиллярной крови с помощью автоматических анализаторов определяются показатели кислотно-щелочного состояния (рН, ВЕ, рСО2) и концентрации молочной кислоты (до нагрузки, сразу
после нагрузки и через 15 мин). Большое распространение имеют средства
сухой химии (тест-полоски) оснащенные автономными миниатюрными
анализаторами количественного содержания глюкозы (глюкометры) и лактата (лактометры). Эти средства используются в месте проведения тренировок или соревнований. Для них требуются минимальные количества капиллярной крови.
Для оценки эффективности химических веществ (лекарственных
препаратов) на анаэробную производительность используют пробу
Н.И.Волкова, при которой определяется содержание молочной кислоты
(лактата) в крови через 3, 4, 10 и 20 мин восстановления после предельной
1-минутной работы, выполняемой 3 раза с 1-минутными интервалами.
Измерение мышечной силы. Силой мышц обозначают максимальное проявление произвольного усилия, которое может развить группа
мышц в определенных условиях. Различают статическую (изометрическую) и динамическую силу. Сокращение мышцы, при котором она развивает напряжение, не изменяя при этом своей длины, обозначается как изометрическое. Мерой статической силы является максимум изометрического напряжения. Если внешнее сопротивление при мышечном сокраще184
нии преодолевается (например, при поднятии тяжести), мышца укорачивается и происходит движение. Мерой концентрической силы является максимальное сопротивление, которое мышцы способны преодолевать на
всем пути соответствующего движения (динамическая сила). Обычно
измеряют статическую силу динамометрами (силу кисти – динамометром
Колена, силу разгибателей туловища – становым динамометром). Величина динамической силы зависит от скорости движения, которую трудно
фиксировать. Электрические динамометры с тензодатчиками позволяют
измерять помимо силы и выносливость мышц. Для этого измеряют время,
в течение которого испытуемый в состоянии выдержать статическое напряжение (обычно равное 50-75% максимума), не снижая усилия.
Схема клинико-фармакологических исследований в спортивной
медицине. Перед началом исследования спортсмен должен отдохнуть 1520 мин лежа или сидя в удобном кресле. В конце периода отдыха до исследования регистрируется электрокардиограмма в 12-ти стандартных отведениях, измеряется артериальное давление и производится забор капиллярной крови из мякоти пальца или из мочки уха для измерения показателей кислотно-щелочного состояния, концентрации молочной кислоты (исходный уровень для определения анаэробной производительности) или
других биохимических параметров в зависимости от целей эксперимента.
Функциональные показатели работоспособности спортсменов
№ ФИО t W
А
А/кг МПК МПК/кг О2D О2D/кг
общ.
VE
max
КП
max
ДК
1
2
3
4
Обозначения: t – время работы; W – мощность нагрузки; А, А/кг – работа,
выполненная в тесте (кгм, кгм/кг); МПК, МПК/кг – максимальное потребление кислорода (мл/мин, мл/мин/кг); О2D, O2D/кг – кислородный долг
(мл, мл/кг); VEmax – максимальная легочная вентиляция (л/мин); КПmax –
максимальный кислородный пульс (мл/уд); ДК – дыхательный коэффициент.
Биохимические показатели работоспособности спортсменов
№ ФИО
рН
ВЕ
рСО2
Лактат
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
1
2
3
4
Обозначения: 1 – исходные данные, 2 – после нагрузки, 3 – уровень в восстановительном периоде. ВЕ – буферная емкость, избыток оснований
185
(ммоль/л); рСО2 – концентрация углекислого газа в крови (кПа); лактат –
концентрация молочной кислоты в крови (ммоль/л).
ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1
Лабораторный практикум по биохимии требует знания техники
безопасной работы, особенностей работы в химической лаборатории
с биологическим материалом, основных положений международной системы единиц «СИ».
Работа 1. Особенности работы в биохимической лаборатории и
инструктаж по технике безопасности. (Информация преподавателя о
структуре занятий и требованиях, предъявляемых к студентам при проведении лабораторных работ).
Студенты должны переписать в тетрадь для протоколов:
 Положение о требованиях, предъявляемых к студентам при проведении лабораторных и практических занятий по биологической
химии.
 Инструкцию по безопасной работе студентов в учебных лабораториях кафедры химии.
Работа 2. Применение международной системы единиц (СИ)
в биохимической лабораторной практике. Наименования физических
величин, применяемых в биохимической лабораторной практике, должны
соответствовать научно-техническим терминам, установленным соответствующими государственными стандартами. Ниже приведены некоторые
определения физических величин, применяемых в биохимической лабораторной практике.
Масса. Под массой тела понимается скалярная величина, характеризующая инерционные и гравитационные свойства тела. Массу тела
в состоянии покоя, в частности, определяют взвешиванием на весах. Результат взвешивания тела на весах следует называть массой, а не весом, и выражать результат взвешивания в единицах массы – килограммах (кг), граммах
(г), в дольных от грамма – миллиграммах (мг), микрограммах (мкг), нанограммах (нг). Единицами массы следует пользоваться для выражения результатов биохимических исследований веществ, относительная молекулярная масса которых неизвестна.
Количество вещества – величина, определяемая числом структурных
элементов (атомов, молекул, ионов, электронов и других частиц)
в рассматриваемом веществе. За единицу количества вещества принят моль
(моль – это количество вещества, содержащее столько структурных единиц,
сколько содержится атомов в 0,012 кг изотопа углерода 12С. Число частиц в
моле любого вещества одно и то же. Оно равно 6,02 1023 и называется посто186
янной Авогадро). Кратные и дольные единицы от моль – киломоль (кмоль),
миллимоль (ммоль), микромоль (мкмоль) и др. Количество вещества предлагается применять для выражения результатов исследования веществ, относительная молекулярная масса которых известна.
Молярная масса – отношение массы вещества к количеству вещества
(или иначе – масса вещества, взятого в количестве 1 моль). Ее выражают в
кг/моль в СИ, или в г/моль и обычно обозначают буквой М.
В общем случае молярная масса вещества, выраженная в граммах, численно равна ее относительной молекулярной (атомной) массе, выраженной в
атомных единицах массы. В практическом плане это означает, что при необходимости взятия 1 моля вещества нужно брать число граммов этого
вещества, равное его относительной молекулярной (атомной) массе.
Массовая концентрация компонента – отношение массы компонента
к объему смеси. Единицы в СИ – кг/м3, в биохимических исследованиях –
г/л (для выражения концентрации веществ, относительная молекулярная
масса которых известна).
Молярная концентрация компонента (молярность компонента) – отношение количества вещества к объему смеси. Единицы в СИ – моль/м3, в
биохимических исследованиях – моль/л (для выражения концентрации веществ с известной относительной молярной массой).
Нормальная концентрация (или нормальность) выражается числом
эквивалентов вещества, содержащегося в 1 л раствора. Раствор, в 1 л которого содержится один эквивалент растворимого вещества, называется
нормальным (0,1 экв. вещества – децинормальным, 0,01 экв. – сантинормальным, 0,001 экв. – миллинормальным).
Активность фермента применяют для количественной характеристики биологических катализаторов – ферментов. В качестве единицы СИ
принимается моль/с (моль в секунду) – активность фермента, катализирующего превращение 1 моль субстрата (имеется в виду убыль субстрата
или «наработка» продукта реакции) в 1 секунду при определенных условиях.
Скорость химической реакции определяется по убыли субстрата или
«наработке» продукта реакции за определенное время в определенном
объеме исследуемого материала. В качестве единицы СИ принимается
моль в секунду на кубический метр – моль/(с м3). Однако для выражения
результатов биохимических исследований пользуются единицами: моль в
секунду на литр – моль/(с л) или чаще миллимоль в час на литр –
ммоль/(ч л). При исследовании скорости ферментативных реакций полученный результат обычно называют «активностью фермента», например:
«Активность щелочной фосфатазы в сыворотке крови равна 0,5-1,3
ммоль/(ч л)».
Показатели величины экскреции исследуемого компонента с суточным объемом мочи принято обозначать количеством выводимого вещест187
ва, отнесенного к единице измерения «сутки» (например: ммоль/сут,
мкмоль/сут, нмоль/сут).
Для правильного использования кратных и дольных значений единиц в таблице 1 представлены соответствующие множители и приставки.
Таблица 1
Множители и приставки, применяемые для обозначения
кратных и дольных единиц
Множитель
1012
109
106
103
102
101
Приставка
Тера
Гига
Мега
Кило
Гекто
Дека
Обозначение
приставки
Множитель
Приставка
10-1
10-2
10-3
10-6
10-9
10-12
10-15
10-18
Деци
Санти
Милли
Микро
Нано
Пико
Фемто
Атто
Т
Г
М
к
г
да
Обозначение
приставки
(символ)
д
с
м
мк
н
п
ф
а
Реабилитолог должен уметь ориентироваться в показателях нормы
клинико-биохимических исследований и уметь их интерпретировать. Поэтому для ориентировки в современных показателях нормы для основных
клинико-биохимических исследований, выполненных с применением унифицированных методик, приведена таблица 2, в которой биохимические
показатели выражены в единицах СИ.
Этот справочный материал может быть полезен в дальнейшем при
изучении специальных дисциплин.
Таблица 2
Показатели нормы основных клинико-биохимических исследований
Наименование биохимического теста
Показатели нормы в единицах СИ
1
2
Плазма (сыворотка) крови
Адреналин
1,91 – 2,46 нмоль/л
Аланинаминотрансфераза
0,10 – 0,68 ммоль/(ч л)
Аспартатаминотрансфераза
0,10 – 0,45 ммоль/(ч л)
Альбумины
40 – 50 г/л
Альфа-амилаза
16 – 30 г/л (ч л)
Аммиак
17 – 78 мкмоль/л
Белок общий
65 – 85 г/л
Белковые фракции:
Альбумины
56,5 – 66,8 %
Глобулины
33,2 – 43,5 %
Альфа1-глобулины
3,5 – 6,0 %
Альфа2-глобулины
6,9 – 10,5 %
Бета-глобулины
7,3 – 12,5%
Гамма-глобулины
12,8 – 19,0%
Билирубин
8,55 – 20,52 мкмоль/л
188
Галактоза
Гистамин (в цельной крови)
Гаптоглобин
Глюкоза
Гемоглобин (в крови):
у мужчин
у женщин
Гликопротеиды (общие)
Гексозы, связанные с белком
Железо:
у мужчин
у женщин
Индикан
Калий в сыворотке
Калий в эритроцитах
Кальций
Кортикостероиды(17-ОКС)
Креатинин
Креатинкиназа
Кислотно-основное равновесие:
Бикарбонат стандартный
рН (активная реакция крови)
Избыток оснований (в крови)
Парциальное давление углекислого газа
рСО2 (в крови)
Парциальное давление О2 (в артериальной
крови)
Парциальное давление О2 (в венозной крови)
Лактатдегидрогеназа
Липиды общие
Липопротеины
Магний сыворотки
Магний ликвора
Медь
Молочная кислота (в венозной крови)
Молочная кислота (в артериальной крови)
Мочевая кислота
Мочевина
Натрий сыворотки
Натрий эритроцитов
Норадреналин
17-оксикортикостероиды
Пировиноградная кислота (в крови)
Протромбин
Серомукоид (серогликоиды общие)
Серотонин (в плазме)
Серотонин (в крови)
Сиаловые кислоты
189
до 0,24 ммоль/л
0,18 – 0,72 мкмоль/л
0,28 – 1,90 г/л
3,33 – 5,55 ммоль/л
2,0 – 2,79 ммоль/л
1,86 – 2,48 ммоль/л
1,2 – 1,6 г/л
1,05 – 1,15 г/л
14,32 – 25,06 мкмоль/л
10,74 – 21,48 мкмоль/л
0,87 – 3,33 мкмоль/л
3,16 – 5,4 ммоль/л
79,4 – 112,6 ммоль/л
2,0 – 2,75 ммоль/л
0,14 – 0,55 мкмоль/л
0,044 – 0,088 ммоль/л
до 1,2 ммоль Рн/(ч л)
4,5 – 5,5 ммоль/л
7,35 – 7,45 ед.
(-2,3) – (+2,3) ммоль/л
4,52 – 5,99 кПа
12,0 – 12,6 кПа
4,66 – 5,99 кПа
0,8 – 4,0 ммоль/(ч л)
4,00 – 8,00 г/л
3,50 – 7,50 г/л
0,78 – 0,92 ммоль/л
1,03 – 1,43 ммоль/л
11 – 22 мкмоль/л
0,56 – 1,67 ммоль/л
0,33 – 0,78 ммоль/л
0,12 – 0,24 ммоль/л
2,50 – 8,33 ммоль/л
130 – 150 ммоль/л
12,5 – 21,7 ммоль/л
3,84 – 5,31 ммоль/л
0,138 – 0,550 мкмоль/л
45,6 – 114 мкмоль/л
1,4 – 2,1 мкмоль/л
0,22 – 0,28 г/л
0,25 0,05 мкмоль/л
0,51 – 1,02 мкмоль/л
2,0 – 2,36 ммоль/л
Тимоловая проба
Трансферин
Триацилглицериды (триацилглицерины)
Фибриноген (в плазме)
0 – 4 ед. S-Н
35,80 – 44,75 ммоль/л
0,44 – 1,82 ммоль/л
2,0 – 4,0 г/л
(5,9 – 11,7) мкмоль/л
0,05 – 0,13 мкмоль/(ч л)
0,5 – 1,3 мкмоль/(ч л)
2,52 – 2,91 ммоль/л
1,97 – 4,68 ммоль/л
0,646 – 1,292 ммоль/л
2,77 – 27,75 мкмоль/л
96 – 108 ммоль/л
3,64 – 6,76 ммоль/л
160 – 340 ммоль/(ч л)
Фосфатаза кислая
Фосфатаза щелочная
Фосфолипиды общие
Фосфор липоидный
Фосфор неорганический
Фруктоза (в крови)
Хлор (хлорид-ионы)
Холестерин
Холинэстераза
Моча
Аммиак
30 – 60 ммоль/сут
Адреналин
16,4 – 82,0 ммоль/сут
Альдостерон
2,8 – 41,6 нмоль/сут
Альфа-амилаза
28 – 160 г/(ч л)
Белок
– г/л
Белок Бенса-Джонса
– г/л
Ванилил-миндальная кислота
3,53 – 19,2 мкмоль/сут
Глюкоза
следы, мкмоль
ДОФА (диоксифенилаланин)
40,6 – 563,0 нмоль/сут
Дофамин
732,0 – 2940,0 нмоль/сут
Калий
38,4 – 89,5 ммоль/сут
17-оксикортикостероиды суммарные
3,61 – 20,38 мкмоль/сут
Плотность
1,012 – 1,020 нг/л
РН
5,0 – 7,0 ед
Фосфор неорганический
0,026 – 9,048 ммоль/сут
Эстрогены: у женщин
17,65– 211,8 нмоль/сут
у мужчин
до 35,3 нмоль/сут
Спинномозговая жидкость
Глюкоза
2,50 – 3,89 ммоль/л
Белок
0,22 – 0,33 г/л
Хлор
120 – 130 ммоль/л
Работа 3. Буферные системы крови в организме человека. Кислотно-основное состояние. Ацидоз. Алкалоз.
Водородный показатель рН – отрицательный десятичный логарифм
концентрации ионов водорода в растворе, выраженной в моль/л: 0-3 –
сильнокислая среда; 3-7 – слабокислая среда; 7 – нейтральная среда; 7-11 –
слабощелочная среда; 11-14 – сильнощелочная среда. Для определения рН
используют колориметрический (с помощью индикаторов, точность 0,1
рН) и потенциометрический (с помощью рН-метров, точность 0,01 рН)
методов. Индикаторы – слабые органические кислоты или основания, дис190
социирующие в зависимости от рН среды и изменяющие свою окраску.
Одноцветные индикаторы – если окрашена молекула или ион индикатора;
двуцветные индикаторы – молекула окрашена в один цвет, а ион – в другой. Например: 1) фенолфталеин – молекула бесцветная (в кислой среде),
ион – малиново-красный (в щелочной среде); 2) метил-оранж – молекула
желтая (в щелочной среде), ион – красный (в кислой среде). Универсальный индикатор – смесь пяти различных индикаторов (диметиламиноазобензола, бромтимолового синего, метиловрго красного, фенолфталеина и
тимолфталеина) – изменяет окраску на протяжении всей шкалы рН и служит для приближенного ( 0,1 рН) определения рН среды.
В поддержании постоянства рН в организме участвуют легкие, почки, буферные системы, ионный обмен и диффузия. В организме человека
каждая биологическая жидкость имеет определенное значение рН: слюна –
6,4-6,8; желудочный сок 0 1,5-2,5 (натощак 0,9-1,5); сок поджелудочной
железы – 7,5-8,0; желчь в желчном пузыре – 5,4-6,9; спинномозговая жидкость – 7,35-7,45; моча – 4,8-7,8. Сыворотка крови характеризуется постоянством и устойчивостью рН (изогидрия) = 7,36-7,42. Изогидрию в сыворотке крови поддерживают буферные системы.
Буферной системой называют протолитическую систему, обладающую способностью стойко удерживать рН среды при добавлении небольших количеств сильной кислоты или щелочи, или при разведении (разбавлении). Протолитические буферные системы состоят из слабой кислоты
и избытка сопряженного с ней основания (1 тип) или из слабого основания
и избытка сопряженной с ним кислоты (2 тип). Буферные системы – двухкомпонентные системы, состоящие из слабого электролита, обладающего
резервной кислотностью или основностью, и сильного электролита,
имеющего одноименный ион со слабым электролитом и удерживающим
слабый электролит от диссоциации. Буферная емкость – количество молярных эквивалентных масс сильной кислоты или сильного основания, которые надо добавить к 1 л буферного раствора, чтобы сдвинуть рН на 1.
Буферные системы крови человека:
1. Бикарбонатная (10% буферного действия).
В плазме H2CO3/NaHCO3 = 1/20;
В эритроцитах H2CO3/КHCO3 = 1/20
2. Фосфатная (1% буферного действия).
В плазме NaH2PO4/Na2HPO4 – 1/4.
3. Белковая (14% буферного действия).
Белки плазмы 65-85 г/л. Белок-СООН/Белок-СООNа
4. Гемоглобиновая и оксигемоглобиновая.
HHb/KHb HHbO2/KhbO2
Кислотно-основное состояние (КОС), или кислотно-щелочное равновесие (КЩР) в организме человека чаще всего характеризуют тремя показателями плазмы крови: 1) щелочными резервами –(ВЕ) = 2,3 ммоль/л;
191
2) парциальным давлением углекислого газа (рСО2) = 36-44 мм рт. ст. (4,52
– 5,99 кПа); 3) рН = 7,36-7,42. ВЕ – это количество оснований, которое необходимо добавить или нейтрализовать, чтобы рН крови сохранился в
норме. Положительное значение ВЕ указывает на избыток оснований или
на дефицит кислот; отрицательное значение ВЕ указывает на дефицит оснований или избыток кислот.
Нормальные величины показателей кислотно-основного состояния
Показатель
pH крови
артериальная
Венозная
напряжение углекислого газа(рСО2), кПа:
мужчины
Женщины
напряжение кислорода (рО2), кПа:
артериальная кровь мужчины до 40 лет
мужчины старше 40 лет
общая углекислота (ТСО2), ммоль/л:
артериальная кровь, мужчины
Женщины
капиллярная кровь, мужчины
Женщины
бикарбонат плазмы крови (НСО3-), ммоль/л:
мужчины
Женщины
стандартный бикарбонат плазмы крови (SB), ммоль/л:
мужчины
Женщины
Анионный интервал Na+-(Cl- + HCO3-), ммоль/л
Анионный интервал (Na+ + K+) - (Cl- + HCO3-), ммоль/л
буферные основания (ВВ), ммоль/л:
капиллярная кровь
избыток основания (BE), ммоль/л:
капиллярная кровь, мужчины
Женщины
артериальная кровь, мужчины
Женщины
дети до 3 лет
Значение
7,35-7,45
7,37-7,45
7,34-7,43
4,7-6,0
4,3-5,7
11,1-11,4
9,6-13,7
24,6-28,6
22,7-28,5
19,84-24,76
18,93-24,87
23,6-27,2
21,8-27,2
22,5-26,9
21,8-26,2
7-16
10-20
43,7-53,5
от -2,7 до +2,5
от -3,4 до +1,4
от -1,0 до +3,1
от -1,8 до +2,8
от -4,0 до +2,0
Первичные нарушения кислотно-основного равновесия
Патологическое
pH
Нереспираторный Респираторный
состояние
фактор
(BE, тор
HCO3 )
192
фак-
Респираторный
<N
N
>N
ацидоз
Метаболический <N
<N
N
ацидоз
Респираторный
>N
N
<N
алкалоз
Нереспираторный >N
>N
N
алкалоз
Механизмы метаболического ацидоза (МАЦ)
1. Увеличение продукции кислот (молочной при физических нагрузках, кетокислот
при диабете).
2. Снижение экскреции кислот почками.
3. Потери щелочей (Диарея тяжелой степени, синдром мальабсорбции).
Механизмы метаболического алкалоза (МАЛ)
1. Вследствие уменьшения объема циркулирующей жидкости (рвота или дренаж
желудка; прием диуретиков.
2. Гиперфункция надпочечников.
3. Тяжелый дефицит калия (содержание калия в сыворотке обычно 2 ммоль/л или
даже меньше).
4. Избыточное потребление щелочей.
Респираторный ацидоз (РАЦ) делится на:
1. Острый (внезапное снижение вентиляции легких — подавление дыхательного
центра вследствие заболевания ЦНС или приема лекарственных средств, нервномышечных расстройств и др.);
2. Хронический (заболевания легких — хронические бронхит и эмфизема легких,
первичная альвеолярная гиповентиляция.
Причины респираторного алкалоза (РАЛ):
1. Гипоксия:
Острая (пневмония, астма);
Хроническая (фиброз легких, легочное сердце, условия высокогорья,
анемия).
2. Стимуляция дыхательного центра.
3. Избыточная искусственная вентиляция легких.
Характеристика нарушений кислотно-оновного равновесия (по Marks V. et al., 2002)
Тип нарушения
рСО2 рН
SB Компенсация
МАЦ – первичное снижение HCO3
а) некомпенсированный
=
<
<
б) компенсированный
<
=
<
Гипервентиляция
МАЛ – первичное повышение HCO3
а) некомпенсированный
=
>
>
б) компенсированный
>
=
>
Гиповентиляция
РАЦ – первичное повышение рСО2
а) некомпенсированный
=
<
=
б) компенсированный
>
=
Кислая моча
РАЛ – первичное снижение рСО2
а) некомпенсированный
=
>
=
б) компенсированный
<
=
Щелочная моча
Границы жизни при рН 6,8-8,0: при рН = 6,8 наступает изоэлектрическая точка для -глобулинов, которые при этом теряют заряд, и идет коа193
гуляция, ведущая к образованию тромбов в сосудах (последствия: инсульт,
инфаркт).
Работа 4. Определение буферной емкости сыворотки крови.
Ход работы
Берут две колбы, в одну из них наливают 2 мл сыворотки крови, разведенной в 10 раз водой, во вторую – 2 мл фосфатного буфера рН = 7,4,
разведенного в 10 раз водой. Затем в обе колбы добавляют по 2 капли индикатора фенолфталеина. Содержимое колбы с фосфатным буфером титруют 0,1 н. NaOH до появления малиново-красного окрашивания (рН =
9,0). Содержимое колбы с сывороткой титруют 0,1 н. NaOH до достижения
такой же окраски.
Расчет производят по формуле В=А 10 н/(рН1-рН0) 2, где А – мл
сильной щелочи, пошедшей на титрование; 10 – разведение сыворотки; н –
молярная масса эквивалента щелочи; рН0 – водородный показатель до начала титрования (рН0 = 7,4); рН1 – водородный показатель после окончания
титрования (рН1 – 9,0); 2 – объем взятой сыворотки.
Сравнить буферную емкость сыворотки крови с буферной емкостью
фосфатного буфера и сделать вывод.
Контрольные вопросы по лабораторной работе
1.
Основные правила ТБ и ОТ при работе в лаборатории.
2.
Основные требования СИ.
3.
Что называют «буферными системами»? Их биологическое значение.
Примеры.
4.
Какие буферные системы находятся в крови человека?
5.
Какие показатели характеризуют КОС?
6.
Что называют: а) метаболическим ацидозом? б) респираторным ацидозом? в) метаболическим алкалозом? г) респираторным алкалозом? Когда эти состояния могут возникнуть у спортсмена?
7.
Принцип метода определения буферной емкости сыворотки крови.
Лабораторная работа № 2
Работа 1. Цветные реакции на белки и аминокислоты.
Диагностическое значение и принцип реакций. Цветные реакции дают возможность обнаружить присутствие белка в биологических жидкостях, растворах и установить аминокислотный состав различных природных белков. Эти реакции применяют как для качественного, так и для количественного определения белка и содержащихся в нем аминокислот.
Биуретовая реакция открывает пептидную связь в белке. Ее способны давать вещества, которые содержат не менее двух пептидных связей.
При добавлении серно-кислой меди к сильнощелочному раствору белка
194
или полипептида образуются соединения меди с пептидной группировкой,
окрашенные в красно-фиолетовый или сине-фиолетовый цвет в зависимости от длины полипептидной цепи. Раствор белка дает сине-фиолетовое
окрашивание, а продукты неполного его гидролиза (пептоны) – розовое
или красное окрашивание.
Нингидриновая реакция характерна для аминогрупп, находящихся в
-положении. Растворы белка, -аминокислот и пептидов при нагревании
с нингидрином дают синее или фиолетовое окрашивание. В этой реакции
-аминокислоты и пептиды окисляются нингидрином и подвергаются
окислительному дезаминированию и декарбоксилированию с образованием аммиака, альдегида и СО2. Нингидрин восстанавливается и связывается
со второй молекулой нингидрина посредством молекулы аммиака, образуя
продукты конденсации, окрашенные в синий, фиолетовый, красный, а в
случае пролина – в желтый цвет. Нингидриновая реакция используется для
количественного определения -аминокислот в аминокислотных анализаторах.
Ксантопротеиновая реакция открывает наличие в белках циклических аминокислот – триптофана, фенилаланина, тирозина, содержащих в
своем составе бензольное ядро. Большинство белков при нагревании с
концентрированной азотной кислотой дает желтое окрашивание, переходящее в оранжевое при подщелачивании. Реакция обусловлена нитрованием бензольного кольца этих аминокислот с образованием нитросоединений
желтого цвета.
Реакция Миллона открывает в белке циклическую аминокислоту тирозин. При добавлении к раствору белка реактива Миллона, состоящего из
смеси азотно-кислых и азотисто-кислых солей закиси и окиси ртути, растворенных в концентрированной азотной кислоте, образуется белый осадок (действие соли тяжелого металла), окрашивающийся при нагревании в
красный цвет. Реактив Миллона дает окрашивание почти со всеми фенолами, и в случае белков реакция обусловлена присутствием в них фенольной группы тирозина. Белки, не содержащие тирозина, этой реакции не
дают. Следует избегать прибавления избытка реактива Миллона, поскольку он содержит азотную кислоту, которая при взаимодействии с белком
может дать желтое окрашивание (ксантопротеиновую реакцию), маскирующее реакцию Миллона.
Реакция Фоля указывает на присутствие в белке аминокислот цистина и цистеина, содержащих слабосвязанную серу. Метионин, хотя и
является содержащей серу аминокислотой, этой реакции не дает, поскольку сера в нем связана прочно. Реакция состоит в том, что при кипячении белка с реактивом Фоля (плюмбит натрия в избытке NaОН) под
действием щелочи от цистеина или цистина легко отщепляется сера в
виде сернистого натрия, который с плюмбитом дает черный или бурый
осадок сернистого свинца.
195
РЕАКТИВЫ, ИССЛЕДУЕМЫЙ МАТЕРИАЛ
1. Раствор едкого натра, 100 г/л. 2. Раствор серно-кислой меди,
10 г/л. 3. Раствор нингидрина, 1 г/л. 4. Азотная кислота концентрированная. 5. Реактив Миллона. 6. Раствор фенола, 1 г/л. 7. Реактив Фоля.
8. Раствор яичного белка для цветных реакций.
ХОД РАБОТЫ
Биуретовая реакция: К 5 каплям раствора белка прибавить 5 капель
раствора едкого натра, 2 капли серно-кислой меди и перемешать. Содержимое пробирки приобретает сине-фиолетовый цвет.
Нингидриновая реакция: К 5 каплям раствора белка прибавить
5 капель раствора нингидрина и прокипятить 1-2 минуты. Появляются розово-фиолетовое или сине-фиолетовое окрашивания.
Ксантопротеиновая реакция: К 5 каплям раствора белка добавить 3
капли концентрированной азотной кислоты и осторожно кипятить. Вначале образуется осадок свернувшегося белка (под влиянием кислоты), который при нагревании окрашивается в желтый цвет. После
охлаждения в пробирку налить по каплям раствор едкого натра до появления оранжевого окрашивания (вследствие образования натриевой соли динитротирозина).
Реакция Миллона: К 5 каплям раствора белка прилить 3 капли
реактива Миллона. Появляется белый осадок белка. Содержимое пробирки
осторожно нагреть. Осадок белка окрашивается в кирпично-красный цвет.
К 10 каплям раствора фенола добавить 5 капель реактива Миллона и осторожно нагреть. Появляется розовое окрашивание.
Реакция Фоля: К 5 каплям раствора белка прибавить 5 капель реактива Фоля, прокипятить и дать постоять 1-2 минуты. При стоянии появляется бурый или черный осадок сернистого свинца.
Работа 2. Реакции осаждения белков.
Диагностическое значение и принцип реакций. Реакции осаждения
белков в зависимости от применяемого осадителя могут быть обратимыми
и необратимыми. В случае обратимых реакций белки не подвергаются глубоким изменениям, и получаемые осадки могут быть вновь растворены в
первоначальном растворителе (обычно в воде). Белки при этом сохраняют
свои начальные естественные свойства. При необратимых реакциях осажденные белки подвергаются глубоким изменениям. Получаемые осадки не
могут быть вновь растворены в первоначальном растворителе (обычно в
воде) т.е. наступает денатурация белков. Обратимые реакции осаждения
белков можно получить путем так называемого высаливания при помощи
нейтральных солей: NaCl, (NH4)2SO4, MgSO4, спиртом (в случае непродолжительного действия его на белок при низкой температуре) и др. Значение реакций осаждения белков в том, что они дают возможность: 1) изу196
чить
свойства
белков;
2) освободить жидкость от присутствия белка, что бывает необходимо при
некоторых исследованиях; 3) установить наличие белка (например,
в моче) при различных патологических состояниях (заболеваниях почек –
нефрите, сердечной декомпенсации и др.); 4) высаливанием с помощью
различных концентраций нейтральных солей или спиртом выделить отдельные белковые фракции.
Почти все белки осаждаются при нагревании в нейтральной или слабокислой среде. Более полное и быстрое осаждение белков происходит при
достижении изоэлектрической точки. Для большинства белков изоэлектрическая точка соответствует слабокислой среде (рН около 5,0). Протамины и гистоны имеют изоэлектрическую точку в щелочной среде (рН
около 8,0). Кроме рН среды важную роль в осаждении белков при нагревании играет концентрация солей.
Реакция высаливания (осаждения белков с помощью высоких концентраций нейтральных солей) обусловлена дегидратацией макромолекул
белка с одновременной нейтрализацией электрического заряда. Для высаливания различных белков требуется неодинаковая концентрация одних и
тех же солей. Глобулины, имеющие большую молекулярную массу, легче
высаливаются, чем альбумины. Глобулины осаждаются в полунасыщенном, а альбумины – в насыщенном растворе сернокислого аммония.
Осаждение белков солями тяжелых металлов, в отличие от высаливания, происходит при небольших концентрациях солей. Белки при взаимодействии с солями тяжелых металлов (свинца, меди, серебра, ртути и
др.) адсорбируют их, образуя с ними солеобразные и комплексные соединения, растворимые в избытке этих солей (за исключением солей AgNO3,
HgCl2), но нерастворимые в воде. Соли тяжелых металлов вызывают необратимое осаждение белков, т.е. денатурацию. Растворение осадка в избытке солей называется адсорбционной пептизацией. Данное явление происходит вследствие возникновения одноименного положительного заряда на
частицах белка.
Концентрированные минеральные кислоты вызывают денатурацию
белка. Выпадение белка в виде осадка связано с денатурацией белковых
частиц и образованием комплексных солей белка с кислотами. Ортофосфорная кислота осадка не дает. В избытке всех минеральных кислот, за исключением азотной, выпавший в осадок белок растворяется. В связи с этим
реакция осаждения белков азотной кислотой особенно распространена при
клинических исследованиях мочи (проба Геллера). Эта качественная реакция с концентрированной азотной кислотой лежит в основе количественного определения белка в моче по методу Робертса-СтольниковаБрандберга.
Органические кислоты вызывают необратимое осаждение белков.
Большое практическое применение получили кислоты трихлоруксусная и
197
сульфосалициловая. Сульфосалициловой кислотой широко пользуются
в клинике при обнаружении малого количества белка в моче и других биологических жидкостях (чувствительность реакции – 1:50000). Сульфосалициловая кислота, помимо белков, осаждает также продукты их распада – высокомолекулярные пептоны и полипептиды. Трихлоруксусная кислота способна осаждать только белки и не осаждает продукты распада белков. В
связи с этим трихлоруксусной кислотой осаждают, например, белки крови,
когда хотят отделить их от высокомолекулярных пептидов.
В органических растворителях, таких, как спирт, ацетон и др., белки
не растворяются и выпадают в осадок. В зависимости от природы белка
для его осаждения требуются различные концентрации спирта. Спирт связывает воду, вызывая дегидратацию мицелл белка и неустойчивость их в
растворе. При осаждении спиртом раствор белка должен быть нейтральным или слабокислым, но не щелочным. Реакция проходит лучше в присутствии электролита хлористого натрия вследствие снятия заряда с частиц белка. Реакция осаждения белка спиртом или кратковременным действием спирта на холоду обратима. Если осадок быстро отделить от спирта,
то белок сохранит нативное состояние и может быть вновь растворен в воде. При длительном воздействии спирта наступает необратимая денатурация белка.
Осаждение белков алкалоидными реактивами также относится
к необратимым реакциям. К группе алкалоидных реактивов принадлежат
танин, пикриновая кислота, железистосинеродистая кислота, растворы
йодной ртути и фосфорно-молибденовой кислоты и др. Способность белков осаждаться теми реактивами, что и алкалоиды, объясняется наличием в
белках, как и в алкалоидах, аналогичных азотистых гетероциклических
группировок: пиррольных, индольных, имидазольных и др. Механизм осаждения белков алкалоидными реактивами связан с образованием нерастворимых солеобразных соединений с основными азотосодержащими
группами белка. В этом соединении белок является катионом, а алкалоидный реактив – анионом. С этой целью рекомендуется слабое подкисление
раствора белка уксусной кислотой, способствующей появлению положительного заряда на мицелле белка, которая в результате этого легко взаимодействует с отрицательно заряженными частицами осадителя. Белки –
протамины и гистоны, несущие положительный заряд, хорошо осаждаются
алкалоидными реактивами в нейтральной среде без подкисления.
РЕАКТИВЫ, ИССЛЕДУЕМЫЙ МАТЕРИАЛ
1. Раствор уксусной кислоты, 10 г/л. 2. Раствор едкого натра,
100 г/л. 3. Насыщенный раствор хлористого натрия. 4. Насыщенный раствор серно-кислого аммония. 5. Серно-кислый аммоний кристаллический,
тонко измельченный порошок. 6. Раствор серно-кислой меди, 100 г/л. 7.
Раствор уксусно-кислого свинца 50 г/л. 8. Азотная кислота концентриро198
ванная. 9. Серная кислота концентрированная. 10. Раствор сульфосалициловой кислоты, 200 г/л. 11. Раствор трихлоруксусной кислоты, 100 г/л. 12. Насыщенный раствор пикриновой кислоты. 13. Раствор уксусной кислоты, 10
г/л. 14. Раствор яичного белка для реакции осаждения (не высаливанием). 15.
Раствор яичного белка для высаливания.
ХОД РАБОТЫ
Осаждение белков кипячением. В 5 пробирок налить по 5 капель раствора яичного белка. В первой пробирке нейтральный раствор белка нагреть
до кипения. Жидкость мутнеет (возникает опалесценция), поскольку разрушаются водные оболочки вокруг молекул белка и происходит укрупнение
его частиц. Мицеллы белка несут заряд и удерживаются во взвешенном состоянии. Во второй пробирке раствор белка нагреть до кипения и прибавить
1 каплю раствора уксусной кислоты до слабого подкисления. При стоянии
выпадает хлопьевидный осадок белка. Частицы белка теряют заряд и приближаются к изоэлектрическому состоянию. В третью пробирку добавить 5
капель раствора уксусной кислоты для получения сильнокислой реакции
среды. При кипячении жидкости осадка не образуется, поскольку белковые
мицеллы перезаряжаются и несут положительный заряд, что повышает их
устойчивость. В четвертую пробирку прилить 5 капель раствора уксусной
кислоты и 2 капли насыщенного раствора хлористого натрия и нагреть. Выпадает хлопьевидный осадок белка, так как частицы белка теряют заряд
вследствие взаимодействия белка с разноименно заряженными ионами хлористого натрия. В пятую пробирку добавить 2 капли раствора едкого натра,
создавая щелочную среду. При кипячении жидкости осадка не образуется,
поскольку в щелочной среде отрицательный заряд на частицах белка увеличивается.
Реакции осаждения белков при комнатной температуре нейтральными
солями – высаливание. К 15 каплям раствора белка добавить 15 капель насыщенного раствора серно-кислого аммония и перемешать. Получается полунасыщенный раствор серно-кислого аммония, в котором выпадает осадок
глобулинов. Через 5 минут отфильтровать содержимое пробирки. В фильтрате остается другой белок – альбумин. К фильтрату добавить тонко измельченный порошок серно-кислого аммония до полного насыщения, т.е. пока
порция порошка остается нерастворимой. При этом выпадает осадок яичного
альбумина. Альбумин отфильтровать. Проверить фильтрат на отсутствие
белка с помощью биуретовой реакции.
Осаждение белков солями тяжелых металлов. К 5 каплям раствора
яичного белка прибавить осторожно 1 каплю раствора серно-кислой меди.
Образуется бледно-голубой осадок, нерастворимый в воде. К другой такой
же порции раствора белка прилить вначале 1 каплю раствора
серно-кислой меди, а затем еще 10 капель и наблюдать растворение осадка
в избытке реактива. К 5 каплям раствора яичного белка прибавить 2 капли
199
раствора уксусно-кислого свинца, образуется осадок, нерастворимый в воде, но легко растворяющийся в избытке осадителя.
Осаждение белков концентрированными минеральными кислотами.
К 5 каплям концентрированной азотной кислоты осторожно по стенке
пробирки прилить 5 капель раствора белка так, чтобы обе жидкости не
смешивались. На границе двух жидкостей образуется осадок
в виде небольшого белого кольца (проба Геллера). Осторожно встряхнуть
пробирку и добавить избыток азотной кислоты: осадок не исчезает, так как
в избытке азотной кислоты он не растворяется. Осаждение серной кислотой
проводится
аналогично
реакции
с
азотной
кислотой.
К 5 каплям концентрированной серной кислоты осторожно по стенке пробирки налить 5 капель раствора белка. Образуется осадок, растворимый в
избытке серной кислоты (при встряхивании).
Осаждение белков органическими кислотами. К 5 каплям раствора
белка добавить 2 капли раствора сульфосалициловой кислоты. Выпадает
осадок белка. К 5 каплям раствора белка добавить 2 капли раствора трихлоруксусной кислоты. Выпадает осадок белка.
Осаждение белков органическими растворителями. К 5 каплям раствора
белка прилить 15-20 капель этилового спирта. Раствор мутнеет. Добавить 1
каплю насыщенного раствора хлористого натрия. При стоянии выпадает осадок
белка.
Осаждение
белков
алкалоидными
реактивами:
к 5 каплям раствора белка прибавить 2 капли насыщенного раствора пикриновой
кислоты и 2 капли раствора уксусной кислоты. Выпадает осадок белка.
УКАЗАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
Протокол лабораторной работы оформите в виде таблиц.
1. Цветные реакции на белки и аминокислоты
Название реакции Принцип
Ход
Реакции
Наблюдаемый Что открывает
результат
2. Реакции осаждения
а) Осаждение белков кипячением.
№ пробирки Ход реакции
Наблюдаемый
Принцип осаждения
результат
б) Осаждение белков различными веществами
Название реакции Принцип
Ход реакции
Наблюдаемый
Результат
Сделайте выводы:
1) о специфичности цветных реакций на белки и аминокислоты;
2) о механизме осаждения белка при нагревании;
200
3) о влиянии концентрации водородных ионов и ионов солей на устойчивость в растворе молекул денатурированного при нагревании белка;
4) о возможности применения реакций осаждения в лабораторной практике.
1.
2.
3.
4.
Контрольные вопросы по лабораторной работе
Объясните принципы цветных реакций на белки и аминокислоты: биуретовой, нингидриновой, ксантопротеиновой, на тирозин, на серусодержащие аминокислоты.
Чем обусловлены реакции осаждения белков?
Какими реактивами вызывается обратимое осаждение белков?
Какими реактивами вызывается необратимое осаждение белков?
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №3
Для исследования активности амилазы слюны и ее свойств используют собственную слюну, разведенную в 10 раз. Для этого в мерную пробирку собирают 1 мл слюны (предварительно полость рта с поласкивается
водой) и доводят водой до метки 10 мл.
Работа 1. Определение термолабильности амилазы слюны.
№ пробирок
1
2
3
Реактивы,
исследуемый материал
Слюна 1:10, кап.
10
–
–
Кипяченая слюна, кап.
–
10
–
(кипятить 2 мл разведенной слюны 5-8
мин, охладить)
Н2О, кап.
–
–
10
Крахмал 1%, кап.
10
10
10
Термостат 38 С – 10 минут
Реакция с йодом (5 кап. раствора из
пробирки + 1 кап. I2 в KI), окраска
Реакция Троммера (5 кап. раствора из
пробирки+5 кап. 10% NaOH+3 кап. 1%
CuSO4, кипятить 1 мин.), окраска
Вывод:
Работа 2. Определение оптимума рН для действия амилазы.
№ пробирок
1
2
3
4
5
6
Реактивы,
рН
6,0
6,4
6,8
7,2
7,6
8,0
исследуемый материал
Буферный раствор, мл
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
2,0
201
Крахмал 0,5%, мл
Слюна, 1:10, мл
Раствор I2 в KI, кап
Окраска:
Вывод:
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
1,0
Термостат 38 С – 10 минут
1
1
1
1
1,0
1,0
1,0
1,0
1
1
Работа 3. Влияние активаторов и ингибиторов на активность
амилазы.
№ пробирок
1
2
3
Реактивы,
исследуемый материал
Слюна 1:10, мл
1,0
1,0
1,0
Н2О, кап.
2
–
–
NaCl, 1%, кап.
–
2
–
СuSO4, 1%, кап.
–
–
2
Крахмал, 1%, кап.
5
5
5
Экспозиция – 5 минут
Раствор I2 в KI, кап.
1
1
1
Результат, окраска:
Вывод:
Специфичность ферментов
Работа 4. Специфичность действия амилазы. Приготовить разведение слюны в 5 раз (1 мл слюны + 4 мл воды)
№ пробирок
1
2
Реактивы,
исследуемый материал
Слюна 1:5, кап.
5
5
Крахмал 1%, кап.
10
–
Сахароза 1%, кап.
–
10
Термостат 37 С – 10 минут
Реакция Фелинга (по 5 кап. раствора из
каждой пробирки+3 кап. реактива
Фелинга, кипятить 1 мин.), окраска
Вывод:
Работа 5. Специфичность действия сахаразы.
№ пробирок
1
2
Реактивы,
исследуемый материал
Фильтрат дрожжей (сахароза), кап.
5
5
Крахмал 1%, кап.
10
–
202
Сахароза 1%, кап.
–
10
Термостат 37 С – 10 минут
Реакция Фелинга (5 кап. раствора из
каждой пробирки + 3 кап. реактива
Фелинга, кипятить 1 мин.), окраска
Вывод:
Работа 6. Исследование свойств тирозиназы из картофеля.
Тирозиназа – фермент, окисляющий аминокислоту тирозин в темный
пигмент за счет кислорода. Этот фермент может окислить и гваяковую смолу. При окислении гваяковой смолы образуется озонид синего цвета.
РЕАКТИВЫ, ИССЛЕДУЕМЫЙ МАТЕРИАЛ
1. Гваяковая смола. 2. Срезы сырого картофеля. 3. Срезы вареного
картофеля.
Срез сырого
Срез вареного
картофеля
картофеля
Гваяковая настойка, кап.
1
1
Результат:
Вывод:
Работа 7. Ингибирующее действие хлорид-ионов на дегидрогеназный комплекс картофеля. Хлорид-ионы ингибируют дегидрогеназный комплекс и срез картофеля остается без изменений, остальные темнеют.
РЕАКТИВЫ, ИССЛЕДУЕМЫЙ МАТЕРИАЛ
1. NaCl, крист. 2. NaI, крист. 3. KClO3, крист. 4. Сырой картофель.
Срезы
Посыпать
Результат,
Вывод:
картофеля
порошком
окраска (через 15-20 мин):
1
–
2
NaCl
3
NaI
4
KСlO3
УКАЗАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
Ход работы оформите в виде таблиц, сделайте выводы о свойствах
амилазы слюны (субстратная специфичность, термолабильность, оптимум
рН, активаторы и ингибиторы) и тирозиназы картофеля.
Контрольные вопросы по лабораторной работе
1. При каких оптимальных условиях следует определять активность ферментов?
2. Как можно оценить специфичность ферментов?
3. Как можно выявить действие активаторов и ингибиторов ферментов?
203
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №4
Работа 1. Определение глюкозы в крови унифицированным ортотолуидиновым методом (УИРС) – реагенты НТК «Анализ Х».
Диагностическое значение и принцип метода. Основным компонентом сахара в крови является глюкоза, концентрация которой в норме колеблется от 3,33 до 5,55 ммоль/л. Другие сахара (фруктоза, галактоза, пентозы)
присутствуют в крови в незначительных количествах.
Увеличение концентрации глюкозы в крови – гипергликемия – наблюдается обычно при следующих состояниях: 1) сахарном диабете, остром панкреатите, панкреатических циррозах (эти заболевания дают гипергликемию, связанную с недостатком в организме инсулина);
2) токсическом, травматическом, механическом раздражении центральной
нервной системы. Травма, опухоль мозга, а также эпилепсия, менингит,
отравление окисью углерода, синильной кислотой, эфиром, ртутью сопровождаются так называемой центральной (нервной) гипергликемией; 3) повышение гормональной деятельности щитовидной железы, коры и мозгового вещества надпочечников, гипофиза. 4) после обильного приема с пищей углеводов – алиментарная гипергликемия. 5) сильном эмоциональном
и психическом возбуждении.
Уменьшение уровня глюкозы в крови – гипогликемия – встречается
при: 1) передозировке инсулина (во время лечения сахарного диабета); 2)
заболевании почек, когда нарушается процесс реабсорбции в канальцах; 3)
плохом всасывании углеводов вследствие заболевания тонкого кишечника;
4) сниженной гормональной деятельности перечисленных выше желез
внутренней секреции; 5) после большой потери крови; 6) гиперфункции
островков Лангерганса поджелудочной железы (опухоли, гипертрофии); 7)
от недоедания и голода – алиментарная гипогликемия.
Принцип ортотолуидинового метода определения глюкозы в крови
состоит в том, что глюкоза при нагревании с ортотолуидиновым реактивом
в растворе уксусной кислоты дает зеленое окрашивание, интенсивность
которого пропорциональна концентрации сахара в крови.
РЕАКТИВЫ, ИССЛЕДУЕМЫЙ МАТЕРИАЛ
1. Ортотолуидиновый реактив. 2. Раствор трихлоруксусной
кислоты, 30 г/л. 3. Основной стандартный раствор глюкозы, 5,55 и
16,67 ммоль/л. 4. Кровь (сыворотка, моча, спинномозговая жидкость).
Реактивы
Кровь, мл
ТХУ, мл
ХОД РАБОТЫ
Опыт
0,1
(в центрифужную пробирку)
0,9
204
Стандарт
–
0,9
Стандартный раствор
глюкозы, мл
Перенести в химические пробирки, мл
Ортотолуидиновый
реактив, мл
–
0,1
Центрифугировать 10 мин
–
0,5 центрифугата
0,5
4,5
4,5
Кипящая баня, 8 мин (=!)
Охладить
Колориметрировать на КФК, 595:
кювета 5 мм против смеси 4,5 мл о-толуидинового реактива и 0,5 мл ТХУ
Расчет провести по формуле: Соп = Аоп (Сст/Аст), где Соп – концентрация глюкозы в опытной пробе (ммоль/л), Сст. – концентрация глюкозы в стандартной пробе, близкая к определяемой (5,55 или 16,67
ммоль/л); Аоп – оптическая плотность опытной пробы; Аст – оптическая
плотность раствора стандарта.
Работа 2. Изучение углеводного обмена методом нагрузок
(УИРС).
Диагностическое значение и принцип метода. Метод сахарных нагрузок (тесты толерантности к глюкозе – ТТГ) используется для углубленного
исследования углеводного обмена в случаях, когда результаты анализов мочи
и крови при однократном определении оказываются нормальными. Проба с
сахарной нагрузкой (однократная) заключается в следующем: утром натощак
у больного берут кровь из пальца для определения содержания сахара, после
чего
дают
выпить
заранее
приготовленный раствор 100 или 50 г глюкозы (из расчета 1 г глюкозы на 1 кг
массы тела) в 200 мл теплой кипяченой воды. Время, в течение которого
обследуемый пьет раствор, не должно превышать 5 мин. Затем повторно
исследуют содержание глюкозы в крови через каждые 30 мин в течение 2,5
часа. На основании полученных данных строят кривую, откладывая на
вертикальной оси значение концентрации глюкозы, а на горизонтальной –
время в мин. Анализируя гликемические кривые, можно отметить, что у
здорового человека уже через 15 мин после приема глюкозы наблюдается
увеличение концентрации сахара в крови, которое достигает максимума к
первому часу (в промежутке между 30-й и 60-й мин). После этого начинается уменьшение содержания сахара, которое ко второму часу наблюдения
(120-я мин) или снижается до исходной цифры (до уровня глюкозы натощак), или не достигает его (остается повышенным), или же падает ниже
исходной величины. К 3-му часу во всех трех описанных вариантах уровень сахара в крови приходит к исходному уровню.
205
Первый подъем уровня сахара после введения углеводов отражает
силу рефлекторного раздражения симпатических нервов, возникающего
при попадании глюкозы в пищеварительный канал. Дальнейшее увеличение концентрации сахара, как правило, связано с быстротой всасывания
углеводов, определяемой состоянием кишечной стенки, функцией печени.
У здорового человека величина содержания сахара в крови через час после
приема нагрузки на 50-75% превышает уровень сахара в крови натощак.
Нисходящая часть гликемической кривой отражает продукцию инсулина и
зависит от состояния парасимпатической нервной системы обследуемого,
функции поджелудочной железы, печени и других органов. Этот отрезок
гликемической кривой носит название гипо-гликемической фазы. Последняя точка на гликемической кривой, определяемая через 2,5-3 часа, обусловлена состоянием равновесия всех систем организма, участвующих в
регуляции содержания сахара в крови. В норме она должна совпадать с
уровнем сахара в крови у обследуемого натощак. У больных сахарным
диабетом содержание глюкозы в крови натощак бывает повышенным, нарастание гликемической кривой происходит медленнее, достигая через 60150 мин значительной величины (более чем в 1,8 раза превышающая исходное значение). Гипогликемическая фаза спада за время проведения
пробы обычно не выявляется (отсутствует). Повреждение печени характеризуется быстрым увеличением концентрации глюкозы (нарастание гликемической кривой) в результате ослабления ассимиляционной способности печени. Однако максимальный подъем линии на графике не достигает
такого уровня, как при диабете. Заболеваниям щитовидной железы, связанным с ее гиперфункцией, свойственны гликемические кривые с более
быстрым, чем в норме, подъемом.
У больных с аденомой Лангергансовых островков, гипотиреозом,
болезнью Аддисона график характеризуется низким исходным уровнем
кривой, низкой ее вершиной.
В ходе проведения пробы с сахарной нагрузкой обследуемый не
должен принимать пищи.
ИССЛЕДУЕМЫЙ МАТЕРИАЛ
Пробы крови, взятые у обследуемого больного натощак и через 30,
60, 90, 120, 150 мин.
Реактивы и ход определения концентрации глюкозы в крови (см. работу №4). По данным концентрации глюкозы в крови построить гликемическую кривую и сделать заключение о характере кривой и предполагаемом диагнозе.
Работа 3. Определение количества глюкозы в крови с помощью
метода «сухой химии». Используются тест-полоски на глюкозу.
Принцип:
глюкозаоксидаза
206
D-глюкоза + О2
пероксидаза
Н2О2 + ТМБ*
-D-глюконолактон + Н2О2
окраска (голубая) + Н2О
*- ТМБ – 3,3',5,5'-тетраметилбензидин
Голубая окраска оценивается визуально или с помощью анализаторов сухой химии (персональных типа «Рефлолюкс» или лабораторных типа «Рефлотрон»).
УКАЗАНИЯ К ОФОРМЛЕНИЮ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
В протоколе отметьте цель занятия, принцип метода, порядок работы. В тетради зарисуйте сахарные кривые здорового человека, больного
сахарным диабетом. Сделайте вывод о содержании глюкозы в крови, определенной методом сухой химии. В таблицу показателей норм основных
клинико-биохимических исследований выпишите значения концентрации
глюкозы в крови, моче. Повторите показатели активности -амилазы в
крови, моче.
Контрольные вопросы по лабораторной работе
1. Объясните принципы методов определения глюкозы в крови.
2. Для чего используются тесты толерантности к глюкозе?
Объясните принцип теста с однократной нагрузкой глюкозой и его
диагностическое значение.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №5
Работа 1. Определение кальция фотометрическим методом с
глиоксаль-бис (2-гидроксианилом) с помощью наборов НТК «Анализ
Х» (УИРС).
Принцип метода. Глиоксаль-бис (2-гидроксианил) (ГБОА) образует с
кальцием в щелочной среде окрашенное соединение, которое фотометрируют.
Состав набора
1. ГБОА, 100 мг. 2. Боратный буфер, рН 12,6 – 200 мл. 3. Растворитель-этанол – 200 мл. 4. Стандарт кальция 25 ммоль/л – 6 мл. 5. Приготовление раствора ГБОА – 100 мг ГБОА растворить в 200 мл этанола. Хранить несколько недель в холодильнике в темной склянке. 6. Приготовление
стандарта – в мерную колбу на 50 мл внести пипеткой 5 мл реагента 4 и
довести до метки дистиллированной водой.
Ход работы
В три пробирки налить реактивы согласно таблице:
Реагент, мл
Образец
Стандарт
Холостая проба
Вода
–
–
0,01
207
Сыворотка
0,01
–
–
Стандарт
–
0,01
–
Боратный буфер
1,0
1,0
1,0
Перемешать и дать отстояться 5-10 мин. Добавить в каждую пробирку по 1 мл ГБОА и сразу же перемешать. В интервале 8-18 мин после перемешивания измерить оптическую плотность образца А1 и стандарта А2
относительно холостой пробы. Раствор холостой пробы пригоден для
сравнения только в интервале 8-18 мин после его приготовления. Измерения ведут при =540 нм в кювете, толщиной 5 мм (КФК).
Расчет ведут по формуле Са (ммоль/л = 2,5А1/А2) .
Работа 2. Титрометрическое определение хлоридов с помощью
набора НТК «Анализ Х» (УИРС).
Принцип метода. В основу метода положена способность хлоридионов в кислой среде образовывать с ионами ртути растворимую слабодиссоциируемую соль. При достижении точки эквивалентности избыток ионов
ртути образует с дифенилкарбазоном комплекс фиолетового цвета.
Состав набора
1. Реактив – раствор 120 ммоль/л по нитрату ртути (II) и 800 ммоль/л
по азотной кислоте – 100 мл. 2. Стандарт – раствор хлоридов 100 ммоль/л.
3. Индикатор – дифенилкарбазон – 100 мл. Приготовление растворов. 4.
Раствор реактива перенести в мерную колбу емкостью 2 л и довести объем
раствора до метки дистиллированной водой. 5. Навеску индикатора (реактив 3) 50 мг растворить в 50 мл 96% этилового спирта и перемешать до
полного растворения. Раствор хранится месяц в холодильнике в склянке из
темного стекла. Раствор должен иметь оранжево-желтую окраску.
Ход работы
1. В широкую пробирку вносят 1,9 мл воды и 0,1 мл стандарта, добавляют
2 капли (0,1 мл) индикатора. При постоянном перемешивании титруют раствором реактива до появления фиолетового окрашивания. 2. В широкую пробирку
вносят 1,9 мл воды и 0,1 мл исследуемой биологической жидкости, добавляют 2
капли (0,1 мл) индикатора и титруют раствором реактива.
Концентрация хлоридов Х(ммоль/л)=Сст/Vст
Vx, где Сст –
концентрация хлоридов в исследуемом растворе; Vст – объем реактива,
который уходит на титрование стандарта. Примечание: если биологическая
жидкость имеет щелочную среду, ее необходимо подкислить разбавленной
азотной кислотой ниже рН=8,0. Нормальные величины по этому методу:
сыворотка крови – 95-110 ммоль/л, спинно-мозговая жидкость – 120-130
ммоль/л, моча – 170-210 ммоль/л.
Работа 3. Полуколичественное определение компонентов мочи с
помощью тест-полосок Комбур-9 RL фирмы «Роше-диагностика».
208
Принцип метода. Диагностическая полоска позволяет определить в
моче наличие лейкоцитов, нитритов, рН, белка, глюкозы, кетоновых тел,
уробилиногена, билирубина, наличие крови, гемоглобина. Диагностические полоски для определения одного или нескольких компонентов в моче
представлены также НТК «Анализ Х» и фирмой «Лахема».
Ход работы
Опустить полоску в образец мочи на 1-2 мин, извлечь из мочи, подсушить края фильтровальной бумагой и приложить к стандартной шкале
полуколичественных изменений на упаковке. Сравнить окраски и сделать
вывод о наличии патологических примесей в моче.
Работа 4. Качественное обнаружение молочной кислоты в экстрактах из скелетных мышц.
Молочную кислоту обнаруживают по появлению зелено-желтой окраски с раствором фенола, содержащим хлрное железо (реакция Уффельмана).
Принцип метода. При смешивании хлорного железа с фенолом появляется фиолетовое окрашивание благодаря образованию комплекса фенолята железа. В присутствии молочной кислоты образуется соль железа и
окраска становится зелено-желтой.
Реактив: к 15 мл раствора фенола добавляют несколько капель хлорного железа и взбалтывают, жидкость окрашивается в фиолетовый цвет.
Ход работы
В первую пробирку вносят 2 мл реактива и по каплям добавляют
экстракт из мышечной ткани. Во вторую пробирку – 2 мл реактива и раствор молочной кислоты. В обеих пробирках развивается зелено-желтое окрашивание.
Работа 5. Определение молочной кислоты энзиматическим методом.
Принцип метода. Метод основан на ферментативном окислении молочной кислоты в пировиноградную лактатдегидрогеназой (КФ 1.1.1.27)
при одновременном восстановлении NAD+ в NADH. Равновесие реакции
сдвинуто в сторону образования молочной кислоты. Однако, если образующуюся пировиноградную кислоту связывать гидразином или семикарбазидом в виде гидразонов или семикарбазонов и реакцию проводить в
щелочном буфере, молочную кислоту можно полностью перевести в пировиноградную. О количестве молочной кислоты судят по количеству образовавшегося NADH, измеряя оптическую плотность при 340 нм.
Реактивы
1. Глицин-гидразиновый буфер, рН 9,0 (глицин – 0,1 М раствор, содержащий 0,1 М гидразин). Растворяют навески глицина и гидразина в небольшом количестве дистиллированной воды, доводят рН смеси 2 н. рас209
твором NaOH до 9,0 (контроль на рН-метре) и доливают дистиллированной водой до 100 мл. Гидразин можно заменить на 0,1 М семикарбазид.
2. NAD+ -3 10-2 М раствор, рН 6,0.
3. Калий-фосфатный буфер – 0,1 М раствор, рН 7,4.
4. Лактатдегидрогеназа – 2 мг/мл (или экстракт мышц в разведении
1:25 как источник фермента.
5. НСlO4 – 0,5 н. раствор.
6. NaOH – 2 н. раствор.
7. HCl – 2 н. раствор.
8. КОН – 5 н. раствор.
9. Раствор молочнокислого лития или молочнокислого кальция
Заполнение проб для определения молочной кислоты
Состав пробы
Объем, мл
Контрольная
Опытная
Глицин-гидразиновый буфер
2,6
2,6
+
Раствор NAD
0,2
0,2
Раствор фермента или экстракт
0,1
0,1
Вода
0,1
Исследуемый раствор
0,1
Содержимое пробирок тщательно перемешивают и ставят в термостат при 25 С на 60 мин. После инкубации пробы охлаждают и измеряют
оптическую плотность пробы при 340 нм.
Количество молочной кислоты (в микромолях) рассчитывают по
формуле: х= А340 V/6,22, где А340 – изменение оптической плотности реакционной смеси; V – объем пробы (мл), в которой протекает реакция.
Коэффициент молярного поглощения NADH (NADPH) при 340 нм равен
6,22 103 М-1см-1. Это значит, что при восстановлении 1 мкмоль кофермента при 340 нм
в кювете с расстоянием между рабочими гранями 1 см в 1 мл реакционной смеси оптическая плотность меняется на 6,22 ед. При 366 нм коэффициент молярного поглощения
NADH уменьшается до 3,3 103 М-1см-1.
При исследовании биологического материала берут навеску или объем ткани,
добавляют 5-кратный объем холодного 0,5 М раствора НСlO4, экстрагируют на холоде
30 мин. Белки удаляют центрифугированием. Центрифугат нейтрализуют 5 ню раствором КОН. Осадок перхлората калия КСlO4 удаляют центрифугированием. В полученном экстракте определяют молочную кислоту.
1.
2.
3.
4.
Контрольные вопросы по лабораторной работе
Объясните принцип определения кальция в сыворотке крови.
Объясните принцип определения хлоридов в биологических жидкостях.
Каковы нормальные величины содержания кальция и хлора в биологических жидкостях?
Какое значение имеет определение компонентов мочи с помощью
средств сухой химии?
210
5. Опишите методы качественного и количественного определения молочной кислоты.
ПРОГРАММНЫЕ ВОПРОСЫ ПО БИОХИМИИ
Введение
1. Предмет и задачи биологической химии. Важнейшие признаки живой
материи. Проявления диалектических законов в организации и функциях
живой материи.
2. Объекты биохимического исследования. Основные разделы и направления в биохимии. место биохимии среди других биологических дисциплин. Биохимия и медицина.
Строение и функции белков
3. Белки – важнейшие компоненты организма: функции, классификация.
Форма и размеры белковых молекул, молекулярная масса, физикохимические свойства.
4. Первичная структура белков, ее роль. Наследственные и приобретенные
протеинопатии. Полиморфизм белков.
5. Конформация белковых молекул (вторичная и третичная структуры).
Типы внутримолекулярных связей в белках. Нативная структура и денатурация белков. Структура белков и функция.
6. Четвертичная структура белков. Кооперативные изменения конформации протомеров (гемоглобин в сравнении с миоглобином). Способность
белков к специфическим взаимодействиям. Самосборка многомолекулярных белковых структур.
Ферменты
7. История открытия и изучения ферментов. Особенности биокатализаторов. Специфичность действия ферментов. Особенности выделения ферментов. Классификация и номенклатура ферментов.
8. Структурная и функциональная организация ферментов. Активный и
аллостерический центры. Изоферменты. Механизм и стадии ферментативного катализа. Единицы измерения активности ферментов.
9. Зависимость скорости ферментативных реакций от концентрации субстрата, фермента, температуры и рН.
10. Активаторы и ингибиторы ферментов. Применение ингибиторов в качестве лекарств. Антиметаболиты. Энзимодиагностика, энзимотерапия,
наследственные энзимопатии.
Нуклеиновые кислоты. Биосинтез белков
11. Представление о биосинтезе и распаде пуриновых и пиримидиновых
нуклеотидов. Нарушения обмена нуклеотидов (подагра, ксантинурия,
оротацидурия).
12. Нуклеопротеиды. ДНК, структурная организация, размеры молекул,
способы укладки в хроматине и хромосомах. Репликация ДНК: меха211
низм и биологическое значение. Репликация и фазы клеточного цикла.
Повреждения ДНК. Репарация повреждений и ошибок репликации ДНК.
13. Первичная и вторичная структуры РНК. Типы РНК, строение, локализация в клетке, функции. Биосинтез РНК (транскрипция). Строение рибосом и полирибосом. Синтез аминоацил-т-РНК. Субстратная специфичность аминоацил-т-РНК-синтетаз.
14. Биосинтез белков. Биологический код. Основные компоненты белоксинтезирующей системы. Функционирование рибосом и последовательность реакций при синтезе полипептидной цепи. Адапторная функция тРНК, роль иРНК.
15. Регуляция действия генов. Индукция и репрессия синтеза белков в организме человека. Роль гормонов в регуляции действия генов. Лекарственные препараты – ингибиторы матричных синтезов у прокариот и эукариот.
Мембраны
16. Общая характеристика и функции мембран, компоненты мембран.
17. Модели строения мембран, трансмембранный транспорт.
Энергетический обмен
18. Метаболизм и его функции, регуляция метаболизма в клетке. Введение
в биохимию пищеварения, характеристика пищи, ферментов пищеварения. Регуляция пищеварения гормоноподобными веществами.
19. Катаболизм и анаболизм, их взаимосвязь. Эндергонические и экзергонические реакции в метаболизме. АТФ и другие высокоэнергетические
соединения. Цикл АДФ-АТФ. Виды фосфорилирования АДФ и пути использования АТФ.
20. Биологическое окисление и пути использования кислорода. Строение
митохондрий и структурная организация цепи переноса электронов. Типы окисляемых субстратов. НАД-зависимые дегидрогеназы. ФАДзависимые дегидрогеназы: сукцинатдегидрогеназа и ацил-КоАдегидрогеназа.
21. Внутренняя мембрана митохондрий и дыхательная цепь: НАДНдегидрогеназа, убихинон, цитохромы, их структура и механизм переноса
протонов и электронов на кислород.
22. Окислительное фосфорилирование, коэффициент Р/О. Гипотезы механизма окислительного фосфорилирования.
23. Сопряжение окисления с фосфорилированием в дыхательной цепи. Н+АТФ-синтетаза. Дыхательный контроль. Разобщение дыхания и фосфорилирования. Гипоэнергетические состояния.
24. Окислительные системы, не связанные с аккумуляцией энергии. Микросомальное окисление. Свободнорадикальное окисление. Роль в патологии клеток.
212
25. Общие и специфические пути катаболизма. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты: строение пируватдегидрогеназного комплекса и последовательность реакций.
26. Цикл трикарбоновых кислот: последовательность реакций и характеристика ферментов, регуляция. Биологическая роль ЦТК.
Обмен и функции углеводов
27. Основные углеводы тканей человека, биологическая роль. Переваривание углеводов, характеристика ферментов. Схема источников и путей
расходования глюкозы в организме. Ключевая роль глюкозо-6-фосфата.
28. Биосинтез и мобилизация гликогена: последовательность реакций, физиологическое значение. Регуляция активности фосфорилазы и синтазы
гликогена. Гликогенозы и агликогенозы.
29. Аэробный распад глюкозы: химизм, физиологическое значение. Челночные механизмы переноса восстановительных эквивалентов.
30. Анаэробный распад глюкозы: химизм, физиологическое значение. Центральная окислительно-восстановительная реакция гликолиза. Спиртовое брожение. Метаболизм этанола в организме.
31. Биосинтез глюкозы (глюконеогенез), физиологическое значение. Глюкозо-лактатный (цикл Кори) и глюкозо-аланиновый циклы.
32. Пентозофосфатный путь превращения глюкозы: химизм, биологическая роль.
Обмен и функции липидов
33. Пищевые жиры: переваривание, всасывание продуктов расщепления.
Роль желчных кислот. Транспорт липидов в организме.
34. Важнейшие липиды тканей человека. Функции липидов. Депонирование и мобилизация жиров в жировой ткани. Регуляция. Транспорт и использование жирных кислот. Химизм окисления глицерина.
35. Активация и окисление высших жирных кислот : химизм, энергетика,
физиологическая роль. Биосинтез и использование кетоновых тел.
36. Биосинтез жирных кислот: синтез и роль малонил-КоА, характеристика
пальмитатсинтазного комплекса, регуляция. Пути образования жирных
кислот с более длинной углеродной цепью и ненасыщеных жирных кислот.
37. Транспортные липопротеины крови: характеристика, синтез, физиологическая роль. Липопротеинлипаза. Типы гиперлипопротеинемий. Биохимия
атеросклероза.
38. Биосинтез триацилглицеринов, глицерофосфолипидов.
39. Обмен и функции холестерина, прямой и обратный транспорт. Биосинтез холестерина: химизм, регуляция.
40. Основные патологические процессы, связанные с нарушениями превращений ацетил-КоА (голодание, ожирение, атеросклероз).
Обмен и функции аминокислот
213
41. Переваривание белков. Всасывание аминокислот. Динамическое состояние белков в организме. Азотистый баланс. Биологическая ценность
пищевых белков и нормы белков в питании. Регуляция пищеварения
гормоноподобными веществами.
42. Трансаминирование аминокислот: химизм, значение, характеристика
трансаминаз. Непрямое дезаминирование аминокислот.
43. Окислительное дезаминировнаие аминокислот: химизм, характеристика
ферментов. Восстановительное аминирование альфа-кетоглутарата, значение.
44. Декарбоксилирование аминокислот. Образование биогенных аминов,
их роль в регуляции метаболизма и функций, обезвреживание. Ингибиторы аминооксидаз как лекарственные препараты.
45. Общее обезвреживание аммиака: синтез мочевины и аммонийных солей, значение процессов.
46. Трансметилирование. Метионин и S-аденозилметионин (участие в синтезе креатина, адреналина, фосфатидилхолина, метилировании чужеродных соединений). Участие тетрагидрофолиевой кислоты в метилировании.
Регуляция обмена веществ. Гормоны
47. Иерархия регуляторных систем. Место гормонов в системе регуляции
метаболизма и функций органов. Классификация гормонов по химическому строению и механизму действия. Основные механизмы регуляции
метаболизма.
48. Центральная регуляция эндокринной системы: гормоны гипоталамуса
и тропные гормоны гипофиза.
49. Инсулин: строение, синтез, биологическое действие. Характеристика
нарушений обмена веществ при сахарном диабете. Биохимические механизмы развития осложнений сахарного диабета.
50. Источники и пути расходования глюкозы крови. Регуляция содержания
глюкозы в крови инсулином, глюкагоном, адреналином и глюкокортикоидами.
51. Адреналин и норадреналин: строение, синтез, влияние на обмен веществ.
52. Регуляция водно-солевого обмена. Строение, механизм действия вазопрессина и альдостерона. Ренин-ангиотензиновая система. Биохимические механизмы развития почечной гипертензии.
53. Обмен кальция и фосфатов: роль паратгормона, кальцитонина, витамина D.
54. Йодтиронины: строение, синтез, метаболизм, влияние на обмен веществ. Гипо- и гипертиреозы. Особенности функции щитовидной железы в связи с аварией на ЧАЭС.
214
55. Гормоны коры надпочечников – глюко- и минералокортикостероиды.
Строение, влияние на обмен веществ. Проявление гипер- и гипофункции.
56. Мужские половые гормоны: строение, влияние на обмен веществ. Анаболические препараты стероидной структуры. Женские половые гормоны: строение, роль в половом цикле, влияние на обмен веществ.
57. Простагландины и их роль в регуляции метаболизма и физиологических функций. Кининовая система и ее функции. Использование гормонов в клинической практике.
Витамины
58. Витамины, общая характеристика, классификация, функции. Патологические состояния, возникающие при нарушениях обмена витаминов.
Особенности жирорастворимых витаминов.
59. Витамины группы А: строение, биологическая роль, распространение,
суточная потребность. Гипо-, а- и гипервитаминоз.
60. Витамины группы К: строение, биологическая роль, распространение в
природе, суточная потребность, проявления недостаточности. Водорастворимый препарат витамина К.
61. Витамин Е: строение, биологическая роль, распространение в природе,
суточная потребность. Проявление недостаточности.
62. Витамины группы D. Строение, биологическая роль, распространение в
природе, суточная потребность. Гипо-, а- и гипервитаминозы.
63. Витамины С и Р, строение, биологическая роль, распространение
в природе, суточная потребность. Гипо- и авитаминозы.
64. Витамин В1: строение, биологическая роль, распространение в природе,
суточная потребность. Авитаминоз.
65. Витамины В2 и РР: строение (коферментные формы), биологическая
роль, распространение в природе, суточная потребность.
66. Биотин. Пантотеновая кислота. Строение, биологическая роль (примеры реакций карбоксилирования), распространение в природе.
67. Фолиевая кислота. Строение, коферментные формы, биологическая
роль, распространение в природе. Суточная потребность. Сульфаниламидные препараты как антиметаболиты.
68. Витамин В12. Строение, биологическая роль, распространение в природе, суточная потребность. Пернициозная анемия.
Биохимия органов и тканей
69. Характеристика минерального обмена: кальций, фосфаты, медь, цинк,
магний. Функциональная роль, регуляция обмена, нарушения обмена.
Особенности минерального обмена в связи с аварией на ЧАЭС.
70. Характеристика водно-солевого обмена: Распределение воды в организме, водный баланс. Натрий и калий, функциональная роль, нарушения обмена. Роль почек в регуляции водно-солевого обмена.
215
71. Биохимия мышц. Источники энергии для мышечной работы. Биохимические изменения в организме при утомлении. Биохимические процессы в
период отдыха после мышечной работы
ПРИМЕРЫ ТЕСТОВ И СИТУАЦИОННЫХ ЗАДАЧ
1. Подберите к каждой из аминокислот (три, асп, цис, лей, арг, сер) соответствующее свойство радикала: а) гидрофильный положительно заряженный; б) гидрофильный отрицательно заряженный; в) гидрофильный
незаряженный; г) гидрофобный.
2. Для каких уровней структурной организации (первичной, вторичной
или третичной) характерны следующие типы связей: 1) связь между
карбоксильными и аминогруппами радикалов аминокислот; 2) связь
между -амино- и -карбоксильными группами аминокислот; 3) связи
между радикалами цистеина; 4) водородные связи между пептидными
группировками; 5) водородные связи между радикалами аминокислот;
6) гидрофобные взаимодействия радикалов аминокислот.
3. Подберите к каждому уровню структурной организации белка (первичная, вторичная, третичная и четвертичная) соответствующее понятие: 1)
конформация пептидного остова, в формировании которой участвуют
водородные связи между пептидными группировками; 2) порядок чередования аминокислот в белках; 3) пространственное расположение и
характер взаимодействия пептидных цепей в олигомерном белке; 4)
конформация полипептидной цепи, стабилизированная межрадикальными связями.
4. В изоэлектрической точке пептиды имеют: а) отрицательный заряд; б)
положительный заряд; в) нулевой заряд.
5. Заряд дипептида лизилпролина в кислой среде равен: а) 0; б) 2+; в) 1+; г)
2-; д) 1-.
6. Ферменты – это: а) катализаторы углеводной природы; б) катализаторы
белковой природы; в) катализаторы неорганической природы; г) катализаторы липидной природы.
7. Какие положения правильно характеризуют активный центр ферментов:
а) это участок, непосредственно взаимодействующий с субстратом и
участвующий в катализе; б) между активным центром и субстратом
имеется комплементарность; в) активный центр составляет относительно небольшую часть молекулы фермента; г) в активный центр входят
только полярные аминокислоты.
8. Какое из приведенных ниже утверждений характеризует апофермент: а)
представляет собой комплекс белка и кофактора; б) обладает высокой
каталитической активностью; в) представляет собой неорганический
ион или органическое соединение, являющееся производным витамина;
г) определяет специфичность фермента.
216
9. Выберите и запишите последовательность событий, происходящих при
аллостерическом ингибировании активности фермента: 1) уменьшается
скорость ферментативной реакции; 2) изменяется конформация фермента; 3) эффектор присоединяется в активном центре; 4) изменяется
конформация аллостерического центра; 5) нарушается комплементарность активного центра субстрату; 6) эффектор присоединяется в аллостерическом центре; 7) изменяется конформация активного центра.
10. Ферменты, катализирующие синтез биологических молекул с участием
АТФ, относятся к классу: а) трансфераз; б) лигаз; в) гидролаз; г) лиаз;
д) изомераз.
11. Внеклеточное превращение веществ на путях их поступления и выделения называется: а) метаболизмом; б) внешним обменом; в) катаболизмом; г) анаболизмом.
12. Процессы синтеза сложных молекул из более простых, сопровождающиеся потребелением энергии, называются: а) анаболизмом; б) катаболизмом; в) конденсацией; г) полимеризацией.
13. К макроэргическим соединениям относятся все, кроме: а) АДФ; б) карбамоилфосфата; в) глюкозо-6-фосфата; г) креатинфосфата; д) фосфоенолпировиноградной кислоты.
14. Универсальным аккумулятором, донором и трансформатором энергии
в организме является: а) ГТФ; б) АТФ; в) ЦТФ; г) 1,3дифосфоглицериновая кислота; д) глюкозо-6-фосфат.
15. Процесс синтеза АТФ, идущий сопряжено с реакциями окисления при
участии дыхательных ферментов, называется: а) субстратным фосфорилированием; б) фотосинтетическим фосфорилированием; в) окислительным фосфорилированием; г) фосфотрансферазной реакцией
16. Выберите соединения, которые участвуют в переносе электронов от изоцитрата на кислород, и разместите их так, как они располагаются в дыхательной цепи: 1) НАД+; 2) ФАД; 3) цитохром с; 4) цитохромы аа3; 5)
убихинон; 6) кислород; 7) ФМН; 8) Н+АТФаза; 9) цитохромы вс1.
17. Сукцинатдегидрогеназа, коферментом которой является ФАД, отдает
атомы водорода, снятые с сукцината, на: а) флавопротеин; б) кофермент
Q; в) цитохром с; г) железосерные белки.
18. Выберите положения, правильно характеризующие физиологическое
значение катаболизма глюкозы: а) синтезируется АТФ – донор энергии
в биологических процессах; б) промежуточные вещества используются
в реакциях анаболизма; в) катаболизм глюкозы может протекать как в
аэробных, так и в анаэробных условиях, и, следовательно, служить источником АТФ для клеток в разных физиологических условиях; г)
аэробный распад глюкозы может происходить только в клетках печени.
19. Подберите особенности, характерные для аэробного и анаэробного распада глюкозы:
217
1. Конечным продуктом является лактат
А. Аэробный распад
2. Акцептором водорода от НАДН является Б. Анаэробный распад
пируват
3. Сопряжен с синтезом АТФ при участии
ЦПЭ
4. Является источником энергии для клеток,
лишенных митохондрий
5. Метаболиты используются в анаболических процессах
20. Укажите, какой метаболит гликолиза окисляется, а какой восстанавливается в ходе гликолитической оксидоредукции.
21. Соотношение энергетических эффектов гликолиза и аэробного распада
глюкозы составляет: а) 1:2; б) 1:10; в) 1:15; г) 1:19; д) 1:38.
22. Человек совершает срочную физическую работу (например, убегает от
опасности) через 30 минут после обеда, состоящего преимущественно из
углеводной пищи. а) какой процесс протекает в этой ситуации в скелетных мышцах: синтез гликогена или его распад? б) укажите физиологическое значение процесса; в) какой гормон стимулирует этот процесс?
23. Энергетически наиболее выгоден обмен углеводов, идущий по пути: а)
гликогенолиза; б) брожения; в) дыхания; г) гликолиза; д) глюконеогенеза
24. Липиды в виде комплексов с белками входят в состав: а) мультиэнзимных
комплексов; б) рибосом; в) синтазы высших жирных кислот; г) биологических мембран.
25. Главными липидами мембран являются: а) диольные липиды; б) триглицериды; в) гликолипиды; г) фосфолипиды; д) воски
26. Рассчитайте, сколько АТФ образуется при окислении одной молекулы
стеариновой кислоты. Если окисляется линолевая кислота, то на
сколько молекул АТФ образуется меньше?
27. Назовите основной источник энергии скелетных мышц через
40-50 мин после начала работы.
28. Какие органы и ткани используют кетоновые тела в качестве источника
энергии при голодании: а) мозг; б) скелетные мышцы; в) сердце; г) печень; д) корковый слой почек?
29. Какие жирные кислоты не могут синтезироваться в организме?
30. Сравните процессы -окисления и биосинтеза жирных кислот, подобрав соответствующие пары утверждений:
1. Процесс локализован в цитоплазме
А. -окисление
2. Процесс локализован в митохондриях Б. Биосинтез жирных кислот
3. Один из ферментов этого процесса
имеет кофермент биотин
4. Один из ферментов имеет кофермент
НАДФН
5. Один из ферментов имеет кофермент
218
НАД+
6. Процесс связан с синтезом АТФ
7. Процесс связан с расходом АТФ
31. Из представленных ниже компонентов составьте схему процесса, активность которого возрастает в жировой ткани при интенсивной физической нагрузке: 1) протеинкиназа неактивная; 2) протеинкиназа активная;
3)
триацилглицеринлипаза
нефосфорилированная;
4) триацилглицеринлипаза фосфорилированная; 5) аденилатциклаза
неактивная; 6) аденилатциклаза активная; 7) цАМФ; 8) АТФ;
9) адреналин.
32. Окислительное дезаминирование α-аминокислот приводит к образованию: а) α-оксикислот; б) α-кетокислот; в) непредельных кислот; г)
альдегидокислот
33. Ферменты аминотрансферазы ускоряют реакции: а) дезаминирования;
б) трансаминирования; в) восстановительного аминирования; г) декарбоксилирования; д) трансгликозилирования.
34. Сравните процессы трансаминирования и дезаминирования аминокислот:
1. Является этапом катаболизма аминокислот А. Дезаминирование
2. Может служить для синтеза аминокислот
Б. Трансаминирование
3. Не приводит к изменению общего количест- В. Оба процесса
ва аминокислот
4. Приводит к увеличению общего количества Г. Ни один из процессов
аминокислот
5. Сопровождается образованием аммиака
35. Сульфаниламиды являются эффективными антибактериальными препаратами, которые нарушают у бактерий перенос одноуглеродных
фрагментов; некоторые лекарственные препараты – новокаин
и др., содержащие остаток п-аминобензойной кислоты и распадающиеся в организме с ее освобождением, могут оказывать значительное
антисульфаниламидное действие. Какие метаболические процессы будут нарушены при приеме сульфаниламидов? Произойдут ли такие же
нарушения в клетках человека? Какова причина антисульфаниламидного действия новокаина?
36. Какие особенности строения характерны для вторичной структуры
ДНК: а) построена из двух полинуклеотидных цепей; б) цепи антипараллельны; в) азотистые основания цепей комплементарны друг другу;
г) обе нити закручены в спираль, имеющую общую ось.
37. Выберите ответ, какими из перечисленных параметров различаются
разные типы РНК: а) первичной структурой; б) молекулярной массой;
в) вторичной структурой; г) способом соединения нуклеотидов
в полинуклеотидной цепи.
38. Выберите соединения, являющиеся донорами азота в синтезе пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов:
219
1. Глицин
А. Синтез пуринов
2. Глутамин
Б. Синтез пиримидинов
3. Аспартат
В. Не является донором для указанных групп
4. Аланин
5. Формил-ТГФК
39. Выберите соединения, являющиеся донорами углерода в синтезе пуриновых и пиримидиновых нуклеотидов:
1. Глицин
А. Синтез пуринов
2. Глутамин
Б. Синтез пиримидинов
3. Метилен-ТГФК
В. Не является донором для указанных групп
4. Аспартат
5. Метенил-ТГФК
6. СО2
40. Если любители мяса едят его в количествах, превышающих их потребности в калориях, они могут приобрести лишний вес: а) каким метаболическим путем мясо, богатое белками, может привести к отложению
триацилглицеринов?
41. Кошкам, не получавшим пищи накануне вечером, дали утром натощак
аминокислотную смесь, содержащую весь набор аминокислот, за исключением аргинина. Через 2 часа содержание аммиака в крови значительно увеличилось и появились симптомы аммиачного отравления. В
контрольной группе, получившей полный набор аминокислот, не было
отклонений. Объяснение причины аммиачного отравления в подопытной группе животных.
42. Казеин – белок молока не содержит остатков цистина и цистеина, его
нативная конформация напоминает беспорядочный клубок. Кератин –
белок шерсти, богат цистином, цистеином, высокоупорядочен. Каким
образом свойства этих белков отражаются на их перевариваемости?
43. Подберите для ферментов, участвующих в обмене аминокислот,
соответствующие коферменты:
1. Декарбоксилазы
А. ФАД
2. Аминотрансферазы
Б. НАД+
3. Глутаматдегидрогеназа
В. Пиридоксальфосфат
4. Моноаминооксидазы
Г. ТГФК
5. Метилтрансферазы
Д. Тиаминпирофосфат
Е. Биотин
44. Выберите свойства, характерные для гормонов: 1) действуют при очень
низких концентрациях; 2) действуют через специфические рецепторы;
3) поступают в клетки-мишени из крови; 4) секретируются специализированными эндокринными клетками; 5) используются в качестве
энергетического
или
строительного
материала;
6) обладают тканевой избирательностью действия; 7) вызывают спе-
220
цифический спектр эффектов; 8) обладают коротким периодом полужизни.
45. В какой фазе яичникового цикла наблюдается высокий уровень эстрогенов?
46. Активной формой андрогенов является: а) дигидротестостерон;
б) андростерон; в) андростендион?
47. Пациенту в лечебных целях назначили диету с низким содержанием
углеводов. Количество белков и жиров в рационе достаточно. Концентрация глюкозы в крови нормальная, уровень гликогена в печени несущественно снижен. А). За счет какого процесса поддерживается
уровень глюкозы в крови? Б). Какие субстраты могут быть использованы в этом процессе: а) при интенсивной мышечной нагрузке; б) через 5-6 часов после еды; в) при голодании в течение
7 дней?
48. Нарушения в организме, вызванные избыточным накоплением витамина, называются: а) гипервитаминозом; б) гиповитаминозом; в) авитаминозом.
49. Витамин В12 содержит в своем составе катион: а) калия; б) кобальта; в)
натрия; г) магния; д) цинка.
50. Антипелларгическим является витамин: а) Е; б) С; в) В2; г) В12; д) В5.
51. Физиологическое название витамина Н: а) антицинготный; б) антисеборрейный; в) антиневритный; г) антирахитический.
52. Основными источниками витамина С являются: а) мясные продукты; б)
растительные продукты; в) молочные продукты.
53. Близкие по химической структуре соединения, обладающие одинаковыми биологическими свойствами, являются: а) витаминами; б) изомерами; в) гомологами; г) витамерами.
54. В состав кофермента ФМН входит: а) витамин А; б) витамин В6; в) витамин В2; г) витамин К; д) витамин В12
55. Пантотеновая кислота входит в состав кофермента: а) НАД; б) ФАД; в)
пиридоксальфосфата; г) коэнзима А; д) тиаминпирофосфата
56. Структурными единицами мышечного волокна являются: а) полисахариды; б) миофибриллы; в) липопротеины; г) биологические мембраны.
57. Сарколемма представляет собой: а) мембрану; б) полипептид; в) мультиэнзимный комплекс; г) рибонуклеопротеиновый комплекс
58. Толстые филаменты состоят из: а) актина; б) миоглобина; в) миозина;
г) тропонина; д) карнозина
59. Ведущую роль в мышечном сокращении играют катионы: а) магния; б)
натрия; в) калия; г) железа; д) кальция
60. Запасным источником энергии в мышце является: а) холестерин; б)
гликоген; в) молочная кислота; г) глюкоза; д) креатинфосфат
221
61. В энергообеспечении кратковременных упражнений максимальной
мощности основную роль играет: а) гликолиз; б) креатинкиназная реакция; в) миокиназная реакция; г) аэробный распад глкозы
62. При интенсивной мышечной работе происходит уменьшение содержания в крови: а) глюкагона; б) вазопрессина; в) норадреналина; г) инсулина; д) тестостерона
ОТВЕТЫ К ТЕСТАМ И СИТУАЦИОННЫМ ЗАДАЧАМ
1 – гидрофильный положительно заряженный радикал – арг; б) гидрофильный отрицательно заряженный радикал – асп; в) гидрофильный незаряженный радикал – цис, сер; г) гидрофобный радикал –
три, лей
2 – для первичной структуры - 2,3; для вторичной структуры - 4; для
третичной структуры - 1,3,5,6
3 – первичная – 2, вторичная – 1, третичная – 4, четвертичная – 3
4–в
5–б
6–б
7 – а, б, в
8–г
9 – 6, 4, 2, 7, 5, 1
10 – б
11 – б
12 – а
13 – в
14 – б
15 – в
16 – 1, 7, 5, 9, 3, 4, 6
17 – б
18 – а, б, в
19 – А-3,5, Б-1,2,4
20 – оксисляется 3-фосфоглицериновый альдегид до 1,3-бисфосфолицериновой кислоты, восстанавливается – пируват до лактата
21 – г
22 – а) распад гликогена; б) обеспечение мышечной ткани энергией; в) адреналин
23 – в
24 – г
25 – г
26 – в молекуле стеариновой кислоты 18 углеродных атомов. Используем формулу для расчета количества образующихся молекул АТФ:
[5 (n/2 - 1) + n/2 12] – 1= [5 (18/2-1) + 18/2 12]-1=147 молекул
АТФ. Линолевая кислота содержит 2 двойные связи. Поэтому два222
жды будет отсутствовать окисление с участием ФАД-зависимой
дегидрогеназы и количество АТФ будет на 4 молекулы меньше
27 – жирные кислоты
28 – а, б, в, д
29 – полиненасащенные жирные кислоты (линолевая, линоленовая, арахидоновая)
30 – А-2,5,6, Б-1,3,4, 7
31 – 9, 5, 6, 8, 7, 1, 2, 3, 4
32 – б
33 – б
34 – А-5, Б-2,3, В-1, Г-4
35 – при приеме сульфаниламидных препаратов нарушается синтез фолиевой кислоты у бактерий, т.к. эти препараты являются антиметаболитами п-аминобензойной кислоты (по механизму конкурентного ингибирования). В клетках человека эти нарушения не произойдут, т.к. фолиевая кислота не синтезируется. При распаде новокаина образуется п-аминобензойная кислота, которая может использоваться для синтеза фолиевой кислоты бактериями, что способствует их размножению
36 – а, б, в, г
37 – а, б, в
38 – А-1,2,5, В-2,3, Г-4
39 – А-1,3,5,6, Б-3, В-2,4
40 – углеродный скелет кетогенных аминокислот используются для
синтеза жирных кислот и триацилглицеролов
41 – аргинин является промежуточным продуктом цикла синтеза мочевины. При его дефиците нарушается обезвреживание аммиака
42 – казеин подвергается денатурации в желудке и легко переваривается.
Кератин не переваривается ферментами желудочно-кишечного тракта
43 – 1–В, 2–В, 3–Б, 4–А, 5–Г
44 – 1, 2, 3, 4, 6, 7, 8
45 – в фоликулиновую
46 – а
47 – А) глюконеогенез; Б) а) лактат; б) глицерин; в) аминокислоты
48 – а
49 – б
50 – д
51 – б
52 – б
53 – г
54 – в
55 – г
223
56 – б
57 – а
58 – в
59 – д
60 – б
61 – б
62 – г
224